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fases MAX

Las fases MAX son carburos y nitruros hexagonales en capas que tienen la fórmula general: M n+1 AX n (MAX), donde n = 1 a 4, [ 1 ] y M es un metal de transición temprano , A es ...

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Las fases MAX son carburos y nitruros hexagonales en capas que tienen la fórmula general: M n+1 AX n (MAX), donde n = 1 a 4, [ 1 ] y M es un metal de transición temprano , A es un elemento del grupo A (principalmente IIIA y IVA ), y X es carbono o nitrógeno . La estructura en capas consiste en octaedros XM 6 distorsionados que comparten aristas, intercalados por capas planas simples del elemento del grupo A.

Tabla periódica de la fase MAX
Elementos de la tabla periódica que reaccionan entre sí para formar las extraordinarias fases MAX. Los cuadrados rojos representan los elementos M; los azules, los elementos A; y los negros, los elementos X, C y/o N. Última actualización: 2011.

Historia

En la década de 1960, Hans Nowotny y sus colaboradores descubrieron una gran familia de carburos y nitruros ternarios en capas, a los que llamaron fases 'H', [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] ahora conocidas como fases MAX '211' (es decir, n = 1), y varias fases MAX '312'. [ 6 ] [ 7 ] El trabajo posterior se extendió a las fases '312' como Ti 3 SiC 2 y demostró que tiene propiedades mecánicas inusuales. [ 8 ] En 1996, Barsoum y El-Raghy sintetizaron por primera vez Ti 3 SiC 2 completamente denso y de fase pura y revelaron, mediante caracterización, que posee una combinación distintiva de algunas de las mejores propiedades de los metales y las cerámicas de ingeniería. [ 9 ] En 1999 también sintetizaron Ti 4 AlN 3 (es decir, una fase MAX '413') y se dieron cuenta de que estaban tratando con una familia mucho más grande de sólidos que se comportaban de manera similar. En 2020, se publicó Mo 4 VAlC 4 (es decir, una fase MAX '514'), la primera expansión importante de la definición de la familia en más de veinte años. [ 1 ] Desde 1996, cuando se publicó el primer artículo "moderno" sobre el tema, se ha logrado un progreso tremendo en la comprensión de las propiedades de estas fases. Desde 2006 la investigación se ha centrado en la fabricación, caracterización e implementación de compuestos que incluyen materiales de fase MAX. Dichos sistemas, incluidos los compuestos de aluminio-fase MAX, [ 10 ] tienen la capacidad de mejorar aún más la ductilidad y la tenacidad en comparación con el material de fase MAX puro. [ 11 ] [ 10 ]

Síntesis

La síntesis de compuestos y compuestos de fase MAX ternaria se ha realizado mediante diferentes métodos, incluyendo síntesis por combustión, deposición química de vapor, deposición física de vapor a diferentes temperaturas y velocidades de flujo, [ 12 ] fusión por arco, prensado isostático en caliente, síntesis de alta temperatura autopropagante (SHS), sinterización reactiva, sinterización por plasma de chispa, aleación mecánica y reacción en sales fundidas. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Se ha desarrollado un método de reemplazo de elementos en sales fundidas para obtener series de fases MAX M n+1 ZnX n y M n+1 CuX n . [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

Propiedades

Estos carburos y nitruros poseen una combinación inusual de propiedades químicas, físicas, eléctricas y mecánicas, exhibiendo características tanto metálicas como cerámicas bajo diversas condiciones. [ 23 ] [ 24 ] Estas incluyen alta conductividad eléctrica y térmica, resistencia al choque térmico , tolerancia al daño, [ 10 ] maquinabilidad, alta rigidez elástica y bajos coeficientes de expansión térmica. Algunas fases MAX también son altamente resistentes al ataque químico (por ejemplo, Ti 3 SiC 2 ) y a la oxidación a alta temperatura en el aire (Ti 2 AlC, Cr 2 AlC y Ti 3 AlC 2 ). Son útiles en tecnologías que involucran motores de alta eficiencia, sistemas térmicos tolerantes al daño, mayor resistencia a la fatiga y retención de rigidez a altas temperaturas. [ 25 ] Estas propiedades pueden estar relacionadas con la estructura electrónica y el enlace químico en las fases MAX. [ 26 ] Puede describirse como una alteración periódica de regiones de alta y baja densidad electrónica . [ 27 ] Esto permite el diseño de otros nanolaminados basados ​​en las similitudes de la estructura electrónica, como Mo 2 BC [ 28 ] y PdFe 3 N. [ 29 ]

Eléctrico

Las fases MAX son conductoras de electricidad y calor debido a la naturaleza metálica de sus enlaces . La mayoría de las fases MAX son mejores conductoras de electricidad y calor que el Ti. Esto también está relacionado con la estructura electrónica. [ 30 ]

Físico

Aunque las fases MAX son rígidas, se pueden mecanizar con la misma facilidad que algunos metales. Todas se pueden mecanizar manualmente con una sierra para metales, a pesar de que algunas son tres veces más rígidas que el titanio, con la misma densidad. También se pueden pulir hasta obtener un brillo metálico debido a su excelente conductividad eléctrica. No son susceptibles al choque térmico y son excepcionalmente resistentes al daño. Algunas, como Ti₂AlC y Cr₂AlC , son resistentes a la oxidación y la corrosión. [ 31 ] El Ti₃SiC₂ policristalino tiene un coeficiente termoeléctrico nulo , una característica que se correlaciona con su estructura electrónica anisotrópica. [ 32 ]

Mecánico

Las fases MAX como clase son generalmente rígidas, ligeras y plásticas a altas temperaturas. Debido a la estructura atómica en capas de estos compuestos, [ 10 ] algunos, como Ti 3 SiC 2 y Ti 2 AlC, también son resistentes a la fluencia y a la fatiga , [ 33 ] y mantienen sus resistencias a altas temperaturas. Exhiben una deformación única caracterizada por deslizamiento basal (se informaron recientemente evidencias de dislocaciones a fuera del plano basal y deslizamientos cruzados de dislocaciones en la fase MAX deformada a alta temperatura [ 34 ] y también se informaron dislocaciones c parciales de Frank inducidas por difusión de matriz de Cu [ 35 ] ), una combinación de deformación de banda de torsión y cizallamiento, y delaminaciones de granos individuales. [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] Durante las pruebas mecánicas, se ha descubierto que los cilindros policristalinos de Ti 3 SiC 2 pueden comprimirse repetidamente a temperatura ambiente, hasta tensiones de 1 GPa, y recuperarse completamente al retirar la carga, disipando el 25 % de la energía. Fue mediante la caracterización de estas propiedades mecánicas únicas de las fases MAX que se descubrieron los sólidos no lineales con torsión. El micromecanismo que se supone responsable de estas propiedades es la banda de torsión incipiente (IKB). Sin embargo, aún no se ha obtenido evidencia directa de estas IKB, lo que deja la puerta abierta a otros mecanismos que requieren menos suposiciones. De hecho, un estudio reciente demuestra que los bucles histeréticos reversibles al ciclar policristales MAX también pueden explicarse por la respuesta compleja de la microestructura lamelar altamente anisotrópica. [ 39 ]

Aplicaciones potenciales

  • Materiales refractarios resistentes, mecanizables y resistentes al choque térmico [ 40 ]
  • Elementos calefactores de alta temperatura [ 31 ]
  • Recubrimientos para contactos eléctricos
  • Piezas resistentes a la irradiación de neutrones para aplicaciones nucleares [ 41 ]
  • Precursor para la síntesis de carbono derivado de carburo [ 42 ]
  • Precursor para la síntesis de MXenes , una familia de carburos, nitruros y carbonitruros de metales de transición bidimensionales [ 43 ].

Tabla de fases MAX

MXenes

Los MXenes son variantes bidimensionales de las fases MAX con la fórmula general M n+1 X n T x . Se obtienen típicamente mediante el grabado químico húmedo selectivo de átomos A de la fase MAX. Este proceso también da como resultado la funcionalización de las superficies recién formadas con grupos T (por ejemplo, derivados del disolvente: F, Cl, O, OH), que posteriormente pueden modificarse mediante un tratamiento químico adicional. [ 45 ]

Fases ZIP

Recientemente, se han descrito compuestos intermetálicos ternarios estructuralmente relacionados , denominados fases ZIP. Estos materiales presentan un ordenamiento atómico dual y pueden cristalizar en variantes estructurales tanto cúbicas como hexagonales. La modificación hexagonal muestra ciertas similitudes cristalográficas con las fases MAX, particularmente en términos de disposiciones atómicas en capas y un complejo ordenamiento de subredes en composiciones ternarias. [ 46 ]

Referencias

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