超硬硼化钨晶体结构的研究

Skoltech的研究人员与他们的工业同事和学术伙伴一起，破解了20世纪60年代关于超硬硼化钨晶体结构的谜题，这种超硬硼化钨在各种工业应用中都非常有用，包括钻井技术。

硼化钨由于其硬度和其他迷人的机械性能在20世纪中期首次引起了科学家们的想象。一个长期存在的谜题是最高的W-B相的晶体结构，即所谓的“WB4”，它在实验模型和理论预测之间存在巨大的差异。

“实验上，晶体结构是通过x射线结构分析确定的。但原子散射截面的巨大差异(重钨与轻硼)使得硼原子在过渡金属硼化物中的位置难以通过x射线衍射识别。这可以用中子衍射方法解决，但任何衍射方法只能给出平均结构。如果材料是无序的，只有结合使用材料科学的实验技术(x射线、中子衍射)和计算方法，才能获得其晶体结构(包括原子的局部排列)的完整知识。”亚博网站下载亚博老虎机网登录Alexander Kvashnin, Skoltech高级研究科学家和这项研究的第一作者解释道。

2017年，Skoltech的Andrei Osiptsov和Artem R. Oganov提出了一个想法，寻找超硬材料，用于生产安装在钻头上的复合切削齿，用于钻井油气井。亚博网站下载

Gazpromneft公司的STC LLC很好地接受了这个想法，该公司、Skoltech和RAS的Vereshchagin高压物理研究所开始了合作。由Skoltech和MIPT的Artem R. Oganov领导的研究人员预测了WB5的存在，即五硼化钨，预计其比广泛使用的碳化钨更硬，并具有相当的断裂韧性。

该化合物在Vereshchagin研究所的实验室中成功合成，以完成研究循环。在这篇新论文中，奥加诺夫和他的同事表明，长期争论的“WB4”和新预测的WB5实际上是相同的材料。

“我们研究W-B系统是为了预测更高的硼化钨的稳定结构，正如我们已经知道的这个长期存在的难题。预测一个新的WB5结构是一个惊喜，特别是因为它具有高维氏硬度和断裂韧性等令人兴奋的特性，并且在非常高的温度下保持稳定。然后我们认为我们的Vereshchagin研究所的同事们成功地合成了它。衍射图与理论预测非常吻合，除了一些弱峰在理论上存在，但在实验中没有。我们预测的WB5具有完美的单晶结构，但正如我们所示，实验产生了一种密切相关的无序WB5-x材料。”Kvashnin解释道。

研究人员合成了这种新材料，测量了其性能，并揭示了这两种化合物之间意想不到的联系：这种新材料的晶体结构源自WB5结构，带有一定程度的无序和非化学计量（这意味着其元素组成的比例不能用小整数的比率表示）。

因此，新材料不表示为WB4，而是表示为WB5-x。它的晶体结构由USPEX（一种由Oganov和他的学生开发的进化算法）进行了气候预测，并通过微观晶格模型进行了详细阐述。

由于WB5-x相对容易合成，其优异的力学性能和高温下的稳定性使其成为许多技术中非常有前途的材料，其中碳化钨基复合材料在过去90年占主导地位。

“这个谜题已经完全解决了。我们对这种材料及其结构有详细的微观描述，我们知道它可以采用的化学成分范围及其性质。其他令人兴奋的谜题正在等待理论家的注意。”奥加诺夫说。

参与这项研究的其他组织包括中科院普罗霍罗夫普通物理研究所和中科院韦列夏金高压物理研究所。

资料来源：https://www.skoltech.ru/en/