ИСТИНА

Бориды металлов, в особенности бориды алюминия, находят применение в качестве энергетических материалов в виде присадок в различных видах топлива и взрывчатых веществах. Бориды алюминия AlB2 и AlB12 являются наиболее известными и изученными, однако сравнительно недавно было открыто существование фазы с составом Al1.28B, полученной методом ионной имплантации бора в алюминий [1]. Эффективность боридов алюминия в качестве энергетических материалов можно оценить по их энтальпии образования. Однако, точное определение термодинамических свойств боридов алюминия экспериментальными методами чрезвычайно трудно и даже невозможно в связи с нестехиометрическим составом этих соединений, а также с неизбежным наличием примесей других фаз в исследуемых образцах. Так, для хорошо известной фазы AlB2 экспериментальные оценки энтальпии образования варьируются в пределах -1,8...-17,6 ккал/моль. В связи с этим, данная работа посвящена теоретическому вычислению энергии образования AlB2 и недавно открытой фазы Al1.28B, которая до настоящего времени еще ни разу не была исследована теоретически. Все расчеты были выполнены в программе Quantum Espresso [2] с использованием функционала PBE в рамках обобщённого градиентного приближения (GGA) в сочетании с псевдопотенциалом типа PAW при нулевой температуре и без учета поправки нулевой энергии со следующими параметрами: порог энергии 60 Ry, порог волновой функции 240 Ry, k-точки 4×4×4. Для расчета энергии образования фазы Al1.28B были использованы недавно полученные кристаллографические данные [3], на основе которых было построено несколько ячеек с разным соотношением Al:B и атомной заселенностью, моделирующих переменный состав фазы Al1.28B: (a) Al38B30 (Al1.267B), (б) Al39B29 (Al1.345B), (в) Al37B29 (Al1.276B) и (г) Al38B28 (Al1.357B). Помимо ячеек, моделирующих фазу Al1.28B, была проведена серия расчетов для ячеек, моделирующих процесс ионной имплантации атомов В в решетку fcc Al. Были изучены четыре разных способа внедрения В в Al. Полученная нами расчетная энергия образования AlB2, равная -3,6 ккал/моль, практически совпадает с теоретической оценкой -3,8 ккал/моль, полученной другими авторами [4]. В отличие от AlB2, расчетная энергия образования Al1.28B эндотермическая и варьируется в сравнительно узких пределах 4,9±0,3 ккал/моль, при этом практически не завися от соотношения Al:B, а также от атомной заселенности. Расчетные энергии образования были представлены в виде энергетической фазовой диаграммы. В соответствии с экспериментальными данными о чрезвычайно низкой растворимости В в Al, полученная нами фазовая диаграмма демонстрирует, что ионная имплантация В в Al требует преодоления значительного энергетического барьера в несколько десятков ккал/моль. Основываясь на предположении о том, что фаза Al1.28B образуется именно из ионно-имплантированного атомами В алюминия, наблюдаемый экспериментально экзотермический эффект при ее образовании соответствует значительному понижению энергии на фазовой диаграмме.