斯科尔科沃科技学院 研究人员破解了20世纪60年代关于超硬硼化钨晶体结构的难题
信用:帕维尔·奥迪涅夫/斯科尔泰克 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难题，这种超硬硼化钨在包括钻井技术在内的工业应用中非常有用
这项由俄罗斯天然气公司科技中心支持的研究发表在《高级科学》杂志上
钨硼化物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的想象
一个长期的困惑是最高钨硼相的晶体结构，即所谓的WB4，它在实验模型和理论预测之间变化很大
实验上，晶体结构是由x光结构分析决定的
但是原子散射截面的巨大差异(重钨与轻硼相比)使得硼原子在过渡金属硼化物中的位置很难通过x光衍射辨别
这可以通过中子衍射来解决，但任何衍射方法只能给出平均结构
如果材料是无序的，那么只有结合实验技术(x光、中子衍射)和材料科学的计算方法，才能获得其晶体结构(包括原子的局部排列)的完整知识，”该研究的第一作者、资深科学家亚历山大·克瓦什宁(Alexander Kvashnin)解释说
2017年，安德烈·奥西普佐夫和阿特姆·R
斯科特的欧加诺夫提出了一个想法，即寻找超硬材料，用于生产安装在钻头上的复合刀具，这种刀具用于钻油井和气井
这个想法很受俄罗斯天然气公司的欢迎，该公司和俄罗斯科学院的韦列谢金高压物理研究所开始了合作
阿特姆·R领导的研究人员
斯科尔特奇和MIPT的欧加诺夫预测了五硼化钨WB5的存在，预计它比广泛使用的碳化钨更硬，并具有相当的断裂韧性
该化合物在韦列谢金研究所的实验室中成功合成，完成了研究循环
在新的论文中，欧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
“我们研究钨硼系统是为了预测更高的钨硼化物的稳定结构，因为我们已经知道这个长期的难题
预测新的WB5结构是一个惊喜，特别是因为它具有令人兴奋的特性，如高维氏硬度和断裂韧性，并在非常高的温度下保持稳定
然后我们认为这种材料应该在工业中得到应用
我们在韦列谢金研究所的同事成功地合成了它
衍射图与理论预测非常吻合，除了一些理论上存在但实验中没有的弱峰
我们预测的WB5具有完美的单晶结构，但正如我们所展示的，实验产生了一种密切相关的无序WB5-x材料，”克瓦什宁解释说
研究人员合成了这种新材料，测量了它的性质，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来自WB5结构，具有一定程度的无序和非化学计量(这意味着它的元素组成比例不能用小整数的比例来表示)
因此，新材料不是以WB4表示，而是以WB5表示
它的晶体结构是由欧加诺夫和他的学生开发的进化算法USPEX精确预测的，并由微观晶格模型详细说明
由于WB5-x相对容易合成，其优异的机械性能和高温稳定性使其成为在过去90年中碳化钨基复合材料占主导地位的许多技术中非常有前途的材料
“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特性
其他令人兴奋的谜题正等待理论家们的注意
奥加诺夫
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