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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10504 (2023) Citare questo articolo

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Miscele di diversi diboruri metallici sotto forma di soluzioni solide sono materiali promettenti per applicazioni di rivestimento duro. Qui studiamo la termodinamica della miscelazione e le proprietà meccaniche di Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}) strutturato con AlB\(_{2}\) \) soluzioni solide utilizzando il metodo dei principi primi, basato sulla teoria del funzionale densità, e il formalismo dell'espansione dei cluster. La nostra indagine termodinamica rivela che i due diboruri si mescolano facilmente tra loro per formare una serie continua di soluzioni solide stabili nello pseudo-binario TaB\(_{2}\) \(-\)ScB\(_{2}\) sistema anche allo zero assoluto. È interessante notare che i moduli elastici e la durezza delle soluzioni solide mostrano deviazioni positive significative dalla regola lineare di Vegard valutata tra quelle di ScB\(_{2}\) e TaB\(_{2}\). Nel caso di Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\), i gradi di deviazione da tali andamenti lineari possono arrivare fino a 25, 20, e 40% rispettivamente per il modulo di taglio, il modulo di Young e la durezza. Si riscontra il miglioramento della stabilità e delle proprietà meccaniche delle soluzioni solide Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\) rispetto ai loro composti costituenti da mettere in relazione all'effetto di riempimento della banda elettronica, indotto dalla miscelazione di TaB\(_{2}\) con ScB\(_{2}\). Questi risultati non solo dimostrano il ruolo prominente del riempimento della banda nel migliorare la stabilità e le proprietà meccaniche di Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\), ma può anche potenzialmente aprire la possibilità di progettare soluzioni solide stabili/metastabili a base di diboruro metallico con proprietà meccaniche superiori e ampiamente modificabili per applicazioni di rivestimento duro.

Diboruri bimetallici con formula chimica M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\(_{2}\), dove M\(^{\prime }\) e M\(^{\prime \prime }\) sono due elementi metallici distinti (Mg, Al, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ru, Os e Re, ad esempio) e 0 \(\leqslant\) x \(\leqslant\) 1, hanno guadagnato sempre più interesse negli ultimi anni come promettenti materiali con rivestimento duro per utensili da taglio , grazie alle loro elevate stabilità termiche e chimiche nonché alle buone proprietà meccaniche1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. È stato recentemente dimostrato dagli aspetti teorici e sperimentali che, aggiungendo il secondo elemento metallico M\(^{\prime \prime }\) ai composti diboruri M\(^{\prime }\)B\(_{ 2}\), le stabilità e le proprietà dei diboruri a doppio metallo risultanti M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\ (_{2}\) può essere significativamente migliorato e quindi diventare superiore a quelli dei composti diboruri costituenti, M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) o M\(^{\ primo \prime }\)B\(_{2}\)3,4,5,6,7,8,10,11,12,13. Ad esempio, legando TaB\(_{2}\) con ZrB\(_{2}\) per formare pellicole sottili di Ta\(_{1-x}\)Zr\(_{x}\)B\ (_{2}\) comporta un miglioramento della durezza e della tenacità delle pellicole, rispetto a quelle delle pellicole TaB\(_{2}\) e ZrB\(_{2}\)7,10,13. Un altro esempio è che l'introduzione di atomi di Cr (Al) nei film di ZrB\(_{2}\) (TiB\(_{2}\)) aumenta la resistenza all'usura, all'ossidazione e alla corrosione dei film e le proprietà meccaniche dei film. risultanti film fuori stechiometrici di Zr\(_{1-x}\)Cr\(_{x}\)B\(_{y}\) (Ti\(_{1-x}\)Al\( _{x}\)B\(_{y}\)) può essere migliorato o messo a punto controllando la composizione dei film6,8,11. Il miglioramento delle stabilità e delle proprietà meccaniche di M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\(_{2}\) con rispetto a M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) e M\(^{\prime \prime }\)B\(_{2}\) è stato suggerito come direttamente correlato alle variazioni del numero di elettroni di valenza che riempiono gli stati elettronici di legame e antilegame del materiale14,15,16, controllati dalla variazione di M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) e M\( ^{\prime \prime }\)B\(_{2}\), come recentemente dimostrato in Sc\(_{1-x}\)V\(_{x}\)B\(_{2 }\) che mostra stabilità termodinamica e proprietà meccaniche superiori, in particolare durezza, rispetto a ScB\(_{2}\) e VB\(_{2}\)12.