Hardening in Tungsten Tetraboride with the Addition of Carbon, Zirconium, and Silicon: Intrinsic vs Extrinsic Effects

材料科学 硬化(计算) 碳纤维 冶金 化学工程 纳米技术 复合材料 复合数 图层(电子) 工程类
作者
Georgiy Akopov,Shanlin Hu,Kirill D. Shumilov,Spencer G. Hamilton,Lisa E. Pangilinan,Zerina Mehmedović,Yin Hang,Paul J. Robinson,Inwhan Roh,A. Kavner,Anastassia N. Alexandrova,Sarah H. Tolbert,Richard B. Kaner
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:36 (7): 3233-3245
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c03092
摘要

Alloys of tungsten tetraboride (WB4) with the addition of C and Si were prepared by arc-melting of the constituent elements. The phase purity was established by powder X-ray diffraction (PXRD) and surface morphology by scanning electron microscopy (SEM) analysis. Vickers hardness measurements showed hardness enhancement for alloys with a nominal composition of (W0.98Si0.02):11.6B and (W0.95C0.05):11.6B of 52.2 ± 3.0 and 50.5 ± 2.5 GPa, respectively, compared to 41.2 ± 1.4 GPa for pure WB4. (W0.92Zr0.08):11.6B was determined in previous work to have a hardness of 55.9 ± 2.8 GPa. Bulk moduli were calculated following analysis of high-pressure radial diffraction data and were determined to be 329 ± 4 (K0′ = 2) and 390 ± 9 (K0′ = 0.6) GPa for 8 atom % Zr and 5 atom % C-doping, respectively, compared to 326–339 GPa for pure WB4. Computational analysis was used to determine the dopant positions in the crystal structure, and it was found that Zr primarily substitutes W in the 2c position, Si substitutes for the entire B3 trimers, and C inserts in the Bhex-layer. The hardness enhancement in the case of Zr-doping is attributed primarily to extrinsic hardness effects (nanograin morphology), in the case of C─to intrinsic effects (interlayer bond strengthening), and in the intermediate case of Si─to both intrinsic and extrinsic effects (bond strengthening and fine surface morphology).

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