フランク・カスパー位相

位相的に密な充填( TCP )相はフランク・カスパー ( FK ) 相とも呼ばれ、複雑な結晶構造と物理的特性で知られる金属間化合物の最大のグループの 1 つです。周期的構造と非周期的構造の組み合わせにより、一部の TCP 相は準結晶のクラスに属します。TCP 相の高温構造材料および超伝導材料としての応用が注目されていますが、物理的特性の詳細についてはまだ十分に調査されていません。また、複雑で非化学量論的構造である場合が多いため、理論計算に適しています。

1958年、フレデリック・C・フランクとジョン・S・カスパーは、多くの複雑な合金構造を調査した独自の研究で、^{[1] [2]非二十面体環境が主骨格と呼ばれる開放端ネットワークを形成することを示しました。これは現在では偏角軌跡として識別されています。彼らは、より大きな}配位数を持つ他の多面体を使用して、非対称二十面体を結晶に詰め込む方法論を考案しました。これらの配位多面体は、位相最密充填 (TCP) を維持するように構築されました。^[3]

FK結晶構造は、四面体単位に基づいて、多面体の中心となる原子の数を示す配位数(CN)で示される低多面体グループと高多面体グループに分類されます。一部の原子は、CN12 と表示される低配位のイコサヘドロン構造を持ちます。他の原子は、それぞれ CN14、CN15、CN16 と表示される、14、15、16 というより高い配位数を持ちます。これらの高配位数の原子は、5 倍のイコサヘドロン対称性が 6 倍の局所対称性に置き換えられる方向に沿って接続された途切れのないネットワークを形成します。^[4] 12 配位のサイトはマイナー サイトと呼ばれ、12 倍を超える配位のサイトはメジャー サイトと呼ばれます。^[1]

FK 相ファミリーの最も一般的なメンバーは、A15、ラーベス相、σ、μ、M、P、および R です。

A15 相は、平均配位数 (ACN) が 13.5 で、単位セルあたり 8 つの A ₃ B化学量論原子を持つ金属間合金です。2 つの B 原子は CN12 多面体 (二十面体) に囲まれ、6 つの A 原子は CN14 多面体に囲まれています。Nb ₃ Ge は、A15 構造の超伝導体です。

3 つのラーベス相は、AB ₂化学量論の CN12 および CN16 多面体から構成される金属間化合物で、MgZn ₂などの二元金属系でよく見られます。AB ₂構造の溶解度が低いため、ラーベス相はほぼ線状化合物ですが、均質領域が広い場合もあります。

シグマ (σ) 相は、明確な化学量論的組成を持たない金属間化合物として知られ、電子/原子比が 6.2 ～ 7 の範囲で形成されます。30 個の原子を持つ基本的な正方晶系単位格子を持ちます。CrFe は、等原子組成で σ 相に結晶化する典型的な合金です。構造成分に基づいて物理的特性を調整したり、特定の構造を提供する化学組成を調整したりできます。

μ相は理想的なA ₆ B ₇化学量論を持ち、その原型はW ₆ Fe ₇で、 13個の原子を持つ菱面体晶セルを含む。他の多くのフランク・カスパー合金タイプが特定されているが、さらに多くの種類が発見され続けている。合金Nb ₁₀ Ni ₉ Al ₃はM相の原型である。これは単位セルあたり52個の原子を持つ斜方晶系空間群を持つ。合金Cr ₉ Mo ₂₁ Ni _{20 は}P相の原型である。これは56個の原子を持つ原始的な斜方晶系セルを持つ。合金Co ₅ Cr ₂ Mo ₃はセルあたり53個の原子を持つ菱面体晶系空間群に属するR相の原型である。^{[5] [1]}

FK 相物質は、その高温構造と超伝導物質として注目されています。その複雑で非化学量論的な構造は、理論計算に適した対象です。A15、Laves、σ は、興味深い基本特性を持つ最も適用可能な FK 構造です。

A15化合物には、Nb ₃ Sn、Nb ₃ Al、V ₃ Gaなどの重要な金属間超伝導体が含まれており、高磁場超伝導磁石のワイヤなどの用途があります。^[6] Nb _{3 Snは、}超伝導無線周波数空洞を製造するための潜在的な材料としても研究されています。

σ相の量が少量でも柔軟性が大幅に低下し、耐侵食性が低下します。W 、Mo 、Reなどの耐火元素をFK相に添加すると、鋼やニッケル基超合金などの合金の熱特性が向上しますが、金属間化合物に不要な析出が生じるリスクが高まります。^[7]

• 複合金属合金