Phases MAX - MAX phases
Les phases MAX sont des carbures et nitrures hexagonaux stratifiés qui ont la formule générale : M n+1 AX n , (MAX) où n = 1 à 4, et M est un métal de transition précoce, A est un groupe A (principalement IIIA et IVA, ou des groupes 13 et 14) et X est soit un carbone et/ou un azote . La structure en couches se compose d' octaèdres XM 6 déformés à bords partagés entrelacés par des couches planes uniques de l'élément du groupe A.
| 211 | Ti 2 CdC, Sc 2 InC, Sc 2 SnC, Ti 2 AlC, Ti 2 GaC, Ti 2 InC, Ti 2 TlC, V 2 AlC, V 2 GaC, Cr 2 GaC, Ti 2 AlN, Ti 2 GaN, Ti 2 InN, V 2 GaN, Cr 2 GaN, Ti 2 GeC, Ti 2 SnC, Ti 2 PbC, V 2 GeC, Cr 2 AlC, Cr 2 GeC, V 2 PC, V 2 AsC, Ti 2 SC, Zr 2 InC, Zr 2 TlC, Nb 2 AlC, Nb 2 GaC, Nb 2 InC, Mo 2 GaC, Zr 2 InN, Zr 2 TlN, Zr 2 SnC, Zr 2 PbC, Nb 2 SnC, Nb 2 PC, Nb 2 AsC, Zr 2 SC, Nb 2 SC, Hf 2 InC, Hf 2 TlC, Ta 2 AlC, Ta 2 GaC, Hf 2 SnC, Hf 2 PbC, Hf 2 SnN, Hf 2 SC, Zr 2 AlC, Ti 2 ZnC, Ti 2 ZnN, V 2 ZnC, Nb 2 CuC, Mn 2 GaC, Mo 2 AuC, Ti 2 AuN |
|---|---|
| 312 |
Ti 3 AlC 2 , Ti 3 GaC 2 , Ti 3 InC 2 , V 3 AlC 2 , Ti 3 SiC 2 , Ti 3 GeC 2 , Ti 3 SnC 2 , Ta 3 AlC 2 , Ti 3 ZnC 2 , Zr 3 AlC 2 |
| 413 |
Ti 4 AlN 3 , V 4 AlC 3 , Ti 4 GaC 3 , Ti 4 SiC 3 , Ti 4 GeC 3 , Nb 4 AlC 3 , Ta 4 AlC 3 , (Mo,V) 4 AlC 3 |
| 514 |
Mo 4 VALC 4 |
Histoire
Dans les années 1960, H. Nowotny et ses collaborateurs ont découvert une grande famille de carbures et nitrures ternaires en couches, qu'ils ont appelés les phases « H », maintenant connues sous le nom de phases « 211 » MAX (c'est-à-dire n = 1), et plusieurs '312' Phases MAX. Des travaux ultérieurs se sont étendus aux phases « 312 » telles que Ti 3 SiC 2 et ont montré qu’il avait des propriétés mécaniques inhabituelles. En 1996, Barsoum et El-Raghy ont synthétisé pour la première fois du Ti 3 SiC 2 entièrement dense et en phase pure et ont révélé, par caractérisation, qu'il possède une combinaison distincte de certaines des meilleures propriétés des métaux et des céramiques techniques. En 1999, ils ont également synthétisé Ti 4 AlN 3 (c'est-à-dire une phase '413' MAX) et se sont rendu compte qu'ils avaient affaire à une famille de solides beaucoup plus large qui se comportaient tous de la même manière. En 2020, Mo 4 VAlC 4 (c'est-à-dire une phase '514' MAX) a été publié, la première extension majeure de la définition de la famille depuis plus de vingt ans. Depuis 1996, date de la publication du premier article « moderne » sur le sujet, d'énormes progrès ont été réalisés dans la compréhension des propriétés de ces phases. Depuis 2006, la recherche s'est concentrée sur la fabrication, la caractérisation et la mise en œuvre de composites comprenant des matériaux de phase MAX. De tels systèmes, y compris les composites de phase aluminium-MAX, ont la capacité d'améliorer encore la ductilité et la ténacité par rapport au matériau de phase MAX pur.
Synthèse
La synthèse de composés et de composites ternaires en phase MAX a été réalisée par différentes méthodes, notamment la synthèse par combustion, le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt physique en phase vapeur à différentes températures et vitesses de flux, la fusion à l'arc, le pressage isostatique à chaud, la synthèse auto-propageante à haute température (SHS ), frittage réactif, frittage par plasma étincelant, mécano-alliage et réaction en sel fondu. Une méthode de remplacement d'éléments dans les sels fondus est développée pour obtenir des séries de phases M n+1 ZnX n et M n+1 CuX n MAX.
Propriétés
Ces carbures et nitrures possèdent une combinaison inhabituelle de propriétés chimiques, physiques, électriques et mécaniques, présentant à la fois des caractéristiques métalliques et céramiques dans diverses conditions. Ceux-ci incluent une conductivité électrique et thermique élevée, une résistance aux chocs thermiques, une tolérance aux dommages, une usinabilité, une rigidité élastique élevée et de faibles coefficients de dilatation thermique. Certaines phases MAX sont également très résistantes aux attaques chimiques (par exemple Ti 3 SiC 2 ) et à l'oxydation à haute température dans l'air (Ti 2 AlC, Cr 2 AlC et Ti 3 AlC 2 ). Ils sont utiles dans les technologies impliquant des moteurs à haut rendement, des systèmes thermiques tolérants aux dommages, une résistance accrue à la fatigue et une conservation de la rigidité à haute température. Ces propriétés peuvent être liées à la structure électronique et à la liaison chimique dans les phases MAX. Il peut être décrit comme une altération périodique des régions à haute et basse densité électronique. Cela permet la conception d'autres nanostratifiés basés sur les similitudes de structure électronique, tels que Mo 2 BC et PdFe 3 N.
Électrique
Les phases MAX sont électriquement et thermiquement conductrices en raison de la nature métallique de leur liaison . La plupart des phases MAX sont de meilleurs conducteurs électriques et thermiques que le Ti. Ceci est également lié à la structure électronique.
Physique
Bien que les phases MAX soient rigides, elles peuvent être usinées aussi facilement que certains métaux. Ils peuvent tous être usinés manuellement à l'aide d'une scie à métaux, malgré le fait que certains d'entre eux soient trois fois plus rigides que le titane métallique, avec la même densité que le titane. Ils peuvent également être polis à un lustre métallique en raison de leur excellente conductivité électrique. Ils ne sont pas sensibles aux chocs thermiques et sont exceptionnellement tolérants aux dommages. Certains, tels que Ti 2 AlC et Cr 2 AlC, sont résistants à l'oxydation et à la corrosion. Le Ti 3 SiC 2 polycristallin a un pouvoir thermique nul , une caractéristique qui est corrélée à leur structure électronique anisotrope.
Mécanique
Les phases MAX en tant que classe sont généralement rigides, légères et plastiques à haute température. En raison de la structure atomique en couches de ces composés, certains, comme Ti 3 SiC 2 et Ti 2 AlC, sont également résistants au fluage et à la fatigue , et conservent leurs résistances aux températures élevées. Ils présentent une déformation unique caractérisée par un glissement basal (des preuves de dislocations a hors du plan basal et de glissements croisés de dislocation ont été récemment signalées dans la phase MAX déformée à haute température et des dislocations partielles de Frank induites par la diffusion de la matrice Cu ont également été signalées ), une combinaison de déformation de bande de pliage et de cisaillement et de délaminations de grains individuels. Au cours des tests mécaniques, il a été constaté que les cylindres polycristallins Ti 3 SiC 2 peuvent être comprimés à plusieurs reprises à température ambiante, jusqu'à des contraintes de 1 GPa, et récupérer complètement lors de la suppression de la charge tout en dissipant 25% de l'énergie. C'est en caractérisant ces propriétés mécaniques uniques des phases MAX que les solides non linéaires entortillés ont été découverts. Le micromécanisme supposé être responsable de ces propriétés est la bande kink naissante (IKB). Cependant, aucune preuve directe de ces IKB n'a encore été obtenue, laissant ainsi la porte ouverte à d'autres mécanismes moins avides d'hypothèses. En effet, une étude récente démontre que les boucles hystérétiques réversibles lors du cyclage des polycristaux MAX peuvent également s'expliquer par la réponse complexe de la microstructure lamellaire très anisotrope.
Applications potentielles
- Réfractaires robustes, usinables et résistants aux chocs thermiques
- Éléments chauffants à haute température
- Revêtements pour contacts électriques
- Pièces résistantes aux irradiations neutroniques pour applications nucléaires
- Précurseur pour la synthèse du carbone dérivé du carbure
- Précurseur pour la synthèse de MXenes , une famille de carbures, nitrures et carbonitrures de métaux de transition bidimensionnels