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Articulo de referencia

Fases de Frank-Kasper

Celda unitaria de las fases A15 de Nb 3 Sn Celda unitaria de la fase de Laves con estructura MgZn₂ ( los átomos de Mg están en verde). Proyección de la celda unitaria de la fase...

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Celda unitaria de las fases A15 de Nb 3 Sn
Celda unitaria de la fase de Laves con estructura MgZn₂ ( los átomos de Mg están en verde).
Proyección de la celda unitaria de la fase sigma con estructura CrFe a lo largo del eje c.
Celda unitaria de la fase μ con estructura W 6 Fe 7 proyectada a lo largo del eje c.

Las fases de empaquetamiento compacto topológico ( TCP ) , también conocidas como fases de Frank-Kasper (FK) , constituyen uno de los grupos más grandes de compuestos intermetálicos , caracterizados por su compleja estructura cristalográfica y sus propiedades físicas. Debido a la combinación de estructuras periódicas y aperiódicas, algunas fases TCP pertenecen a la clase de los cuasicristales . Se han destacado las aplicaciones de las fases TCP como materiales estructurales y superconductores de alta temperatura ; sin embargo, sus propiedades físicas aún no se han investigado a fondo. Además, su estructura compleja y, a menudo, no estequiométrica, las convierte en objeto de estudio para cálculos teóricos.

Historia

En 1958, Charles Frank y John S. Kasper, en su trabajo original de investigación de numerosas estructuras de aleación complejas , [ 1 ] [ 2 ] demostraron que los entornos no icosaédricos forman una red de extremo abierto que denominaron esqueleto principal, y que ahora se identifica como el lugar geométrico de declinación. Desarrollaron la metodología para empaquetar icosaedros asimétricos en cristales utilizando otros poliedros con números de coordinación mayores . Estos poliedros de coordinación se construyeron para mantener el empaquetamiento compacto topológico (TCP). [ 3 ]

Clasificación de geometrías de celdas unitarias

Basándose en las unidades tetraédricas , las estructuras cristalográficas de FK se clasifican en grupos poliédricos bajos y altos, denotados por sus números de coordinación (NC), que se refieren al número de átomos que centran el poliedro. Algunos átomos tienen una estructura icosaédrica con baja coordinación, etiquetada como NC12. Otros tienen números de coordinación más altos de 14, 15 y 16, etiquetados como NC14, NC15 y NC16, respectivamente. Estos átomos con números de coordinación más altos forman redes ininterrumpidas conectadas a lo largo de las direcciones donde la simetría icosaédrica quíntuple se reemplaza por una simetría local séxtuple. [ 4 ] Los sitios con coordinación 12 se denominan sitios menores y aquellos con más de 12 de coordinación son sitios mayores. [ 1 ]

Fases clásicas de FK

Los miembros más comunes de una familia de fases FK son: A15 , fases de Laves , σ, μ, M, P y R.

Fases A15

Las fases A15 son aleaciones intermetálicas con un número de coordinación promedio (ACN) de 13,5 y ocho átomos de estequiometría A₃B por celda unitaria , donde dos átomos de B están rodeados por poliedros CN₁₂ (icosaedros) y seis átomos de A están rodeados por poliedros CN₁₄. El Nb₃Ge es un superconductor con estructura A15. [ 5 ]

Fases de Laves

Las tres fases de Laves son compuestos intermetálicos formados por poliedros CN12 y CN16 con estequiometría AB2 , que se observan comúnmente en sistemas metálicos binarios como el MgZn2 . Debido a la baja solubilidad de las estructuras AB2 , las fases de Laves son prácticamente compuestos lineales, aunque a veces pueden presentar una amplia región de homogeneidad.

Fases σ, μ, M, P y R

La fase sigma (σ) es un compuesto intermetálico conocido por su composición estequiométrica indefinida, que se forma en un rango de relación electrón /átomo de 6,2 a 7. Posee una celda unitaria tetragonal primitiva con 30 átomos. El CrFe es una aleación típica que cristaliza en la fase σ con una composición equiatómica. Sus propiedades físicas son ajustables según sus componentes estructurales o su composición química, siempre que la estructura sea determinada.

La fase μ tiene una estequiometría ideal A 6 B 7 , con su prototipo W 6 Fe 7 , que contiene una celda romboédrica con 13 átomos. Si bien se han identificado muchos otros tipos de aleaciones de Frank-Kasper, se siguen descubriendo más. La aleación Nb 10 Ni 9 Al 3 es el prototipo de la fase M. Tiene un grupo espacial ortorrómbico con 52 átomos por celda unitaria. La aleación Cr 9 Mo 21 Ni 20 es el prototipo de la fase P. Tiene una celda ortorrómbica primitiva con 56 átomos. La aleación Co 5 Cr 2 Mo 3 es el prototipo de la fase R, que pertenece al grupo espacial romboédrico con 53 átomos por celda. [ 6 ] [ 1 ]

Aplicaciones

Los materiales de fase FK se han destacado por su estructura de alta temperatura y por ser materiales superconductores. Su estructura compleja y a menudo no estequiométrica los convierte en sujetos idóneos para cálculos teóricos. Las estructuras A15, Laves y σ son las más relevantes y presentan interesantes propiedades fundamentales.

Los compuestos A15 incluyen importantes superconductores intermetálicos como: Nb 3 Sn , Nb 3 Al y V 3 Ga con aplicaciones que incluyen cables para imanes superconductores de alto campo. [ 7 ] El Nb 3 Sn también se está investigando como un material potencial para la fabricación de cavidades de radiofrecuencia superconductoras . Otros materiales notables que adoptan la estructura A15 incluyen β-W , que exhibe un efecto Hall de espín gigante .

Pequeñas cantidades de fase σ disminuyen considerablemente la flexibilidad y deterioran la resistencia a la erosión . Si bien la adición de elementos refractarios como W , Mo o Re a las fases FK ayuda a mejorar las propiedades térmicas en aleaciones como aceros o superaleaciones a base de níquel , aumenta el riesgo de precipitación no deseada en compuestos intermetálicos. [ 8 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Frank, FC; Kasper, JS (1958-03-10). "Estructuras de aleación complejas consideradas como empaquetamientos de esferas. I. Definiciones y principios básicos" . Acta Crystallographica . 11 (3). Unión Internacional de Cristalografía (IUCr): 184–190 . doi : 10.1107/s0365110x58000487 . ISSN 0365-110X . 
  2. ↑ Frank, FC; Kasper, JS (1959-07-10). "Estructuras de aleación complejas consideradas como empaquetamientos de esferas. II. Análisis y clasificación de estructuras representativas" . Acta Crystallographica . 12 (7). Unión Internacional de Cristalografía (IUCr): 483–499 . doi : 10.1107/s0365110x59001499 . ISSN 0365-110X . 
  3. ↑ Joubert, JM; Crivello, JC (2012). "No estequiometría y modelado Calphad de fases de Frank-Kasper" . Applied Sciences . 2 (4): 669. doi : 10.3390/app2030669 .
  4. ↑ Berne, C.; Sluiter, M.; Pasturel, A. (2002). "Enfoque teórico de la selección de fases en metales y aleaciones refractarias". Journal of Alloys and Compounds . 334 ( 1– 2): 27– 33. doi : 10.1016/S0925-8388(01)01773-X .
  5. ↑ Matthias, BT; Geballe, TH; Willens, RH; Corenzwit, E.; Hull, GW (1965-08-30). "Superconductividad del Nb 3 Ge" . Physical Review . 139 (5A): A1501– A1503. doi : 10.1103/PhysRev.139.A1501 .
  6. ↑ Graef, MD; Henry, ME (2007) Estructura de los materiales: Introducción a la cristalografía, la difracción y la simetría . Cambridge University Press. ISBN 1107005876págs. 518–536
  7. ↑ Stewart, GR (julio de 2015). "Superconductividad en la estructura A15" . Physica C: Superconductivity and Its Applications . 514 : 28–35 . arXiv : 1505.06393 . doi : 10.1016/j.physc.2015.02.013 .
  8. ↑ Crivello, JC; Breidi, A; Joubert, JM (2013). "Fases Χ y σ en sistemas binarios de renio-metal de transición: una investigación sistemática de primeros principios". Química Inorgánica . 52 (7): 3674–86 . doi : 10.1021/ic302142w . PMID 23477863 .