Ученые из Сколковского института науки и технологий в сотрудничестве с коллегами из Китая и Армении провели комплексное исследование кристаллической структуры и свойств соединений бора и гафния. На механические свойства этих соединений большое влияние оказывает не столько концентрация бора, как считалось ранее, сколько структура подрешетки атомов бора.

Результаты работы опубликованы в Journal of Applied Physics.

Самые твердые представители среди сверхтвердых материалов – поликристаллический алмаз и кубический нитрид бора. Их применяют в добывающей, обрабатывающей, оборонной и космической отраслях. Однако производство требует высоких давлений и температур, а значит делает материалы очень дорогими. Для обработки менее твердых и более дешевых материалов в основном используют детали из карбида вольфрама или его сплава с кобальтом — победита. Из-за сравнительно невысокой твердости этих соединений детали машин приходится часто менять, поэтому поиск новых простых в производстве материалов с улучшенными механическими характеристиками представляет собой актуальную задачу материаловедения.

Соединения, среди которых можно найти альтернативу, – бориды переходных металлов (MeBn, где Me – металлы побочных В-подгрупп системы Менделеева). Так, самый твердый из них – тетраборид хрома CrB₄ с твердостью по Виккерсу примерно в 50 ГПа. Ученые смоделировали кристаллические структуры различных соединений бора и переходного металла гафния. Теоретические методы компьютерного материаловедения помогли рассчитать и определить кристаллическую структуру и состав новых соединений, которые в перспективе можно синтезировать.

Полученные данные позволили определить, как именно взаимное расположение атомов бора будет влиять на характеристики новых соединений. Оказалось, что на их механические свойства большое влияние оказывает не столько концентрация бора, сколько структура подрешетки атомов бора. Компьютерная симуляция предсказала лишь одно стабильное соединение при низких температурах – диборид гафния HfB₂, известный твердый материал.

«Информация о метастабильных соединениях важна, поскольку позволит определить закономерности увеличения твердости в боридах переходных металлов. Новые знания окажутся полезны в разработке способов целенаправленного синтеза материалов с необходимыми механическими свойствами», — поясняет старший научный сотрудник Лаборатории компьютерного дизайна материалов и Центра энергетических технологий Сколтеха Александр Квашнин.