Российские ученые описали структуру супертвердого борида вольфрама

Российские ученые синтезировали и исследовали кристаллическую структуру и свойства борида вольфрама WB_5-x. Механические свойства материала оказались ненамного хуже расчетных значений, что делает эти материалы перспективными для использования в областях техники, где необходимы твердые и термостойкие материалы. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Science.

Для некоторых задач — например, для продолжительного бурения, — твердости алмаза оказывается недостаточно. Более прочным и термостойким материалом может оказаться борид вольфрама. В середине прошлого века ученые сообщили о синтезе тетраборида вольфрама WB₄, который содержал в себе множество фаз с различными стехиометрическими соотношениями атомов и кристаллическими структурами. Многие последующие работы по исследованию таких соединений давали очень разные теоретические и практические результаты. Недавние теоретические расчеты с использованием алгоритма USPEX, который успешно проявил себя в описании свойств и кристаллических структур соединений, сложных для синтеза, предсказали возможность существования стабильного пентаборида WB₅.

Синтезировать кристалл борида вольфрама одной фазы с заданной стехиометрией (соотношением атомов в кристаллической решетке) очень сложно из-за проявления этим материалом полисоматизма — склонности к образованию структур с несколькими фазами. Более того, определение точного положения атомов бора в кристаллической решетке методом рентгеноструктурного анализа затруднено в силу большой разницы в атомных массах бора и вольфрама. Поэтому до сих пор изучение кристаллической структуры высших боридов вольфрама оставалось сложной задачей.

Александр Квашнин (Alexander G. Kvashnin) с коллегами из Сколковского института науки и технологий синтезировали борид вольфрама и исследовали его кристаллическую структуру и механические свойства. Образцы высшего борида вольфрама получали спеканием вольфрама и бора в соотношении один к семи при температурах до 1500 градусов Цельсия и давлении до семи гигапаскалей. Для получения информации о кристаллической структуре материала, его растерли в порошок и анализировали методом рентгеновской дифракции и сравнили эти данные с теоретическими расчетами структуры пентаборида.

Образцы представляли собой смесь двух боридов вольфрама: WB_5-x и WB₂, причем процентное содержание диборида возрастало с ростом давления и температуры синтеза. Авторы обнаружили неожиданную связь между ранее экспериментально полученным WB₄ и теоретически предсказанным WB₅: новое соединение обладало типом структуры пентаборида, однако содержало области нестехиометрии и нарушения порядка расположения атомов, что приводило к образованию фаз с общей формулой WB_5-x. Теоретические расчеты позволили исследователям определить наиболее выгодные для системы кристаллические структуры, соответственно экспериментальным данным, а также рассчитать свойства полученного материала.

Механические свойства полученного материала оказались чуть хуже предсказанных теоретически значений (твердость 39 гигапаскалей) из-за избытка бора, снижающего значения прочности. Композитные материалы на основе WB_5-x проявили особую термостойкость: образец не разрушался при температурах до тысячи градусов Цельсия.

По словам авторов, выдающиеся механические свойства, термостойкость и недорогой способ синтеза WB_5-x в относительно мягких условиях дают материалам на основе этого борида преимущество перед традиционными сплавами, которые они могут заменить во многих сферах.

О возможном применении борида вольфрама в бурении читайте в нашем материале «Победитель победита».

Алина Кротова