Исследователи из БФУ имени И. Канта совместно с зарубежными коллегами оптимизировали способ получения MAX-фазы Cr2AlC высокой чистоты, что необходимо для изучения магнитных свойств этого соединения при добавлении марганца. Уникальные свойства магнитных MAX-материалов могут найти применение в широком спектре новых технологий, от магнитного охлаждения до спинтроники. Результаты работы опубликованы в журнале Ceramics International.
MAX-фазы — новый перспективный класс искусственно созданных веществ, который начал широко исследоваться только в последние два десятилетия. Это семейство тройных слоистых соединений с общей формулой Mn+1AXn (n = 1, 2, 3…), где М — ранний переходный металл (Sc, Ti, V, Cr и так далее; элементы из левой части блока d периодической таблицы от группы III до группы VII); А — элемент группы IIIA или IVA (наиболее распространены Al, Ga, Si, Ge); Х — углерод или азот, то есть MAX-фаза представляет собой карбид или нитрид соответственно.
За счет своей структуры и состава тройные слоистые карбиды и нитриды d- и p-элементов проявляют уникальное сочетание физических свойств. Эти соединения имеют хорошую электро- и теплопроводность, подобно металлам, но при этом обладают высокой прочностью и сопротивляемостью внешним повреждениям, химическому воздействию, окислению и тепловому удару, что более характерно для керамик. Кроме того, эти материалы легко поддаются механической обработке, имеют высокую температуру плавления и достаточно стабильны при 1000 °С и выше. Несмотря на то что о магнитных свойствах МАХ-фаз известно довольно мало, эти материалы рассматриваются как подходящие для создания спин-электронных и микроэлектронных приборов, систем магнитного охлаждения и других революционных технологий.
Соединение Cr2AlC как в чистом виде, так и с добавлением марганца по формуле (Cr1-xMnx)2AlC считается потенциальным кандидатом на обнаружение различных интересных эффектов в магнитном поле. Чтобы изучить влияние добавления марганца на структуру и свойства этого соединения, необходимо было получить как можно более чистый (без примесей) состав исходной фазы.
Ученые из Балтийского федерального университета имени И. Канта, Университета Павла Йозефа Шафарика и Генуэзского университета оптимизировали способ получения MAX-фаз с помощью дуговой плавки. В данной методике смеси чистых элементов переплавляются разрядом плазменной дуги при температурах более 3000 °С в инертной атмосфере.
«Дуговая плавка может оказаться крайне эффективной с точки зрения увеличения содержания марганца в легированной МАХ-фазе (Cr1-xMnx)2AlC. При использовании обычных методов синтеза, таких как горячее спекание и самораспространяющийся высокотемпературный синтез, атомы марганца слабо встраиваются в структуру МАХ-фазы. Дополнительная энергия, сообщаемая им посредством высокоэнергетичной плазменной дуги, способствует качественному усилению легирования», — рассказал инженер лаборатории новых магнитных материалов БФУ имени И. Канта Кирилл Соболев.
Исследователи изучили влияние начального соотношения компонентов на формирование структуры и нашли то, что давало наиболее чистую фазу. Для этого количество алюминия изменяли относительно хрома и углерода, оптимизируя соотношение 2Cr:xAl:1C, где x варьировали в диапазоне от 1 до 1,5. Исследователи обнаружили, что избыток исходного Al повышает чистоту Cr2AlC, и что при стехиометрии 2Cr:1.3Al:1C исходного состава после отжига образуются преимущественно образцы MAX-фазы (то есть почти однофазный материал), так как повышенная концентрация алюминия в исходных компонентах компенсирует его склонность к испарению в процессе плавления. При изменении этого соотношения в образцах появлялись лишние фазы — Cr7C3 и Cr5Al8, возникающие из-за избытка различных элементов в смеси.
Далее, удерживая оптимальное соотношение Cr, Al и C, ученые варьировали параметры дуговой плавки для дальнейшего улучшения фазовой чистоты образцов. Они регулировали давление в камере плавильной печи и время последующего отжига и изучали их влияние на фазовое качество образцов. Исследователи выяснили, что увеличение давления в плавильной камере во время синтеза играет ту же роль, что и добавка алюминия, предотвращая образование побочных продуктов: фаз Cr7C3 и Cr5Al8. Это происходит, поскольку повышенное давление в камере уменьшает испарение алюминия из расплава. Регулировка давления оказалась даже более эффективной: она изменяет чистоту фазы более точно, чем вариация стехиометрии.
Также ученые проверили возможность получения MAX-фазы Cr2AlC на основе соединения Cr3C2 вместо смеси Cr и C в исходном составе. Учитывая относительно высокую (около 3550 °C) температуру плавления углерода, которая труднодостижима в плавильной камере, использование Cr3C2, плавящегося при значительно более низкой температуре, должно повысить качество синтезированной MAX-фазы. Это было сделано для того, чтобы способствовать более быстрому и более однородному распределению углерода в образцах. Однако выяснилось, что использование Cr3C2 несущественно влияет на количество побочных фаз.
«В дальнейшем мы используем результаты наших исследований уже для синтеза легированной МАХ-фазы (Cr1-xMnx)2AlC. Некоторые предварительные работы показывают, что мы сможем превзойти опубликованные на данный момент параметры включения марганца в данную структуру. Если при этом удастся получить образцы, не имеющие в своем объеме побочных фаз, и проанализировать их магнитные свойства, это будет крайне важно, в первую очередь, для фундаментального понимания магнетизма МАХ-фаз», — пояснил Кирилл Соболев.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
