Made available in DSpace on 2014-10-09T12:43:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:10:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 06778.pdf: 10838321 bytes, checksum: da09e815b4eb68ff38370a4f1987faaa (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Intermetallic borides are characterized by a great variety of crystal structures and bonding interactions, however, a comprehensive rationalisation of the electronic structure is missing. A more general interpretation will be targeted towards comparing several boride phases of one particular transition metal on one hand side, but also isostructural borides of various metals at the other side. Finally, a concise model should result from a detailed analysis of excellent data both from experimental charge density analysis and quantum chemical methods. Ultimate target is a transferability model based on typical building blocks. Experimental investigations of the electron density derived from diffraction data are very rare for intermetallic compounds. One of the main reasons is that the suitability of such compounds for charge density analysis is estimated to be relatively low as compared to organic compounds. In the present work, X-ray single crystal diffraction measurements up to high resolution were carried out for TiB2, VB2, V3B4, and VB crystals. The respective experimental electron densities were reconstructed using the multipole model introduced by Hansen and Coppens [1]. The topological aspects of the experimental electron density were analysed on the basis of the multipole parameters using Bader’s Quantum Theory, Atoms in Molecules [2] and compared with theoretical calculations. References [1] Hansen, N.K.; Coppens, P. Acta Crystallogr. 1978, A34, 909 [2] Bader, R.F.W. Atoms in Molecules─A Quantum Theory; Oxford University Press: Oxford, 1990

Borides are implemented in a range of industrial applications due to their unique mechanical, electrical, thermal and catalytic properties. In particular, transition metal diborides are of special interest. In the recent years, borides of rhenium (Re), osmium (Os) and iridium (Ir) have been studied as for their ultra-hardness and superior stiffness. In this dissertation, a mechanochemical method is introduced to produce rhenium diboride (ReB2) powder, a novel hexagonal osmium diboride (h-OsB2), and iridium boride powders. Densification by Spark Plasma Sintering (SPS), thermal stability and mechanical properties of h-OsB2 were also studied. ReB2 was recently reported to exhibit high hardness and low compressibility, which both are strong functions of its stoichiometry, namely Re to B ratio. Most of the techniques used for ReB2 synthesis reported 1:2.5 Re to B ratio because of the loss of the B during high temperature synthesis. However, as a result of B excess, the amorphous boron, located along the grain boundaries of polycrystalline ReB2, would degrade the ReB2 properties. Therefore, techniques which could allow synthesizing the stoichiometric ReB2 preferably at room temperature are in high demand. ReB2 powder was synthesized at low temperature using mechanochemical route by milling elemental crystalline Re and amorphous B powders in the SPEX 8000 high energy ball mill for 80 hours. The formation of boron and perrhenic acids are also reported after ReB2 powder was exposed to the moist air environment for a twelve month period of time. Hexagonal osmium diboride (h-OsB2), a theoretically predicted high-pressure phase, has been synthesized for the first time by a mechanochemical method, i.e., high energy ball milling. X-ray diffraction (XRD) indicated the formation of h-OsB2 after 2.5 hours of milling, and the reaction reaches equilibrium after 18 hours of milling. The lattice parameters of the h-OsB2 are a=2.916Å and c=7.376 Å, with a P63/mmc space group. Transmission electron microscopy confirmed the appearance of the h-OsB2 phase. The thermal stability of h-OsB2 powder was studied by heating under argon up to 876 °C and cooling in vacuo down to -225 °C. The oxidation mechanism of h-OsB2 has also been proposed. The hexagonal phase partially converted to the orthorhombic phase (20 wt.%) after spark plasma sintering of h-OsB2 at 1500°C and 50MPa for 5 minutes. Hardness and Young*s modulus of the h-OsB2 were measured to be 31 ± 9 GPa and 574 ± 112 GPa, respectively by nanoindentation method. Prior to this research a number of compounds have been prepared in Ir-B system with lower than 2 boron stoichiometry, and no IrB2 phases have been synthesized experimentally. In this dissertation, three new iridium boride phases, ReB2-type IrB2, AlB2-type IrB2 and IrB have been synthesized with a similar mechanochemical method. The formation of these three phases has been confirmed by both X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscope (TEM) after 30 hours of ball milling and 48 hours of annealing. The IrB2 phases have hexagonal crystal structures and the new IrB phase has an orthorhombic crystal structure. The segregation of iridium from iridium borides* lattices has also been studied by high resolution TEM.

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Mit einer Einkristallhärte von 45 GPa stellt Borsuboxid (B6O) einen aussichtsreichen Kandidaten für die Entwicklung neuartiger, superharter und verschleißbeständiger Strukturwerkstoffe dar, dessen Verwendungspotential derzeitig sowohl aufgrund eines schwieriges Verdichtungsverhaltens als auch der geringen Bruchzähigkeit polykristalliner B6O-Werkstoffe limitiert ist. Motiviert durch einen möglichen Einsatz von B6O als kosteneffektive Alternative zu aktuell etablierten, hochdrucksynthetisierten Werkstoffen auf Basis von Diamant und kubischem Bornitrid (c-BN), widmet sich die vorliegende Arbeit diesen Defiziten und untersucht auf Grundlage eines unter Normaldruckbedingungen synthetisierten B6O-Pulvers die Herstellung und Eigenschaften keramischer B6O-Werkstoffe mit flüssigphasenbildenden Al2O3/Y2O3-Sinteradditiven (Gesamtadditivgehalt: 2 – 15 Vol.-%; Al2O3/(Al2O3+Y2O3): 0,05 – 1) unter Anwendung verschiedener Verdichtungstechnologien (Feldaktivierte Sintertechnologie/Spark Plasma Sintern, FAST/SPS; heißisostatisches Pressen, HIP; kubische Vielstempel-Hochdruckpresse, KVP). Zusätzlich wurde eine nicht-reaktive und eine reaktive Präparationsroutine für die Herstellung von B6O/TiB2-Kompositen mit variablen TiB2-Gehalten von 6 – 57 Vol.-% evaluiert. Den Schwerpunkt bildeten dabei die Charakterisierung ausgewählter mechanischer und thermischer Eigenschaften, wie sie für den Einsatz in Schneid- und Verschleißprozessen relevant sind und deren Korrelation mit der Phasen- und Gefügeausbildung als Grundlage für eine weiterführende Optimierung der Werkstoffeigenschaften. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl oxidische Sinteradditive (bevorzugter Gesamtadditivgehalt ≤ 3 Vol.-%) als auch die Präparation von B6O/TiB2-Kompositen (bevorzugt: reaktive Herstellungsroutine) vielversprechende Ansätze für die reproduzierbare Herstellung vollständig verdichteter B6O-Werkstoffe mit einer gesteigerten Bruchzähigkeit von 3 – 4 MPa√m (SEVNB) bei gleichzeitig hohen Härten bis 36 GPa (HV0,4) bzw. 28 GPa (HV5), einer Festigkeit bis 540 MPa und einem E-Modul von 400 – 500 GPa darstellen. Die Hochtemperaturhärte (HV5) der Werkstoffe übersteigt ab 600 °C teilweise die Warmhärte eines ebenfalls untersuchten, kommerziellen c-BN-Referenzmaterials. Wärmeleitfähigkeiten bis 20 W/mK (Raumtemperatur) bzw. 17 W/mK (1000 °C) und thermische Ausdehnungskoeffizienten bis 1000 °C von 5,76 – 6,54×10 6/K wurden ermittelt. Der anhand eines Reibradtests untersuchte Verschleißwiderstand erreicht das Niveau von kommerziellem Borcarbid (B4C). Damit weisen B6O-Werkstoffe insgesamt ein vergleichbares Eigenschaftsprofil zu (isostrukturellen) B4C-Werkstoffen auf, ordnen sich jedoch meist deutlich unterhalb der Leistungsfähigkeit kommerzieller c-BN-Materialien ein. Die Gegenüberstellung verschiedener Sintertechnologien unter Berücksichtigung der Reproduzierbarkeit des Verdichtungsprozesses, der Homogenität der resultierenden Gefüge, der physikalischen Eigenschaften als auch der Wirtschaftlichkeit privilegiert insbesondere die Verdichtung mittels HIP und FAST/SPS (für B6O mit oxidischen Sinteradditiven nur für geringe Additivgehalte) als vielversprechendste Verfahren für eine mögliche Kommerzialisierung von B6O. Eine abschließende Bewertung des Anwendungspotentials von B6O-Werkstoffen erfordert weiterführende Untersuchungen zu den Mechanismen, die zur Erniedrigung der Härte von polykristallinem B6O-Werkstoffen gegenüber B6O-Einkristallen sowie dem sprunghaften Anstieg der Bruchzähigkeit mit geringen Additivgehalten und das Erreichen eines Plateauwertes führen. Hierbei zeichnen sich eine veränderte B6O-Struktur (Kristallchemie/Defekte) und/oder die Beschaffenheit der Korngrenzen als wahrscheinlichste Ursachen ab, deren Rolle auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Methodik im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig aufgeklärt werden konnte.

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Le but de cette étude était la compréhension des mécanismes de stockage de l'hydrogène etl'amélioration de la capacité de stockage dans (1) le magnésium et (2) les composés intermétalliques àbase de bore.(1) Les poudres de magnésium avec ajout de 10% massique d’oxyde de magnésium ont étébroyées à l'aide d'un broyeur planétaire à billes, par broyage mécanique réactif sous atmosphèred'hydrogène (10 bars) pendant 10 heures, en variant deux paramètres: la vitesse de broyage et le nombrede billes utilisées (i.e., le rapport massique poudre : billes). Il semblerait que les poudres broyées à250rpm en utilisant 17 billes (rapport de 1: 13) présentent des performances supérieures en termes de:taille des particules, contenu en MgH2 après broyage, surface spécifique et cinétiquesd'absorption/désorption de l'hydrogène. Nous avons vérifié que l'oxyde de magnésium a un effet deretardement significatif de la croissance des grains. Le calcul des énergies d'activation et l'étude descinétiques ont montré que l'oxyde de magnésium ne joue pas de rôle catalyseur pour la sorptiond'hydrogène.(2) Les composes synthétisés dans les systèmes ternaires La-MT-B, Gd-MT-B et Y-MT-B (MT=Ni,Fe, Co) ont été étudiés en termes de leur structure cristalline, composition chimique et propriétés desorption de l'hydrogène. La majorité des composés obtenus dans ces systèmes cristallisent avec unestructure type CeCo4B, avec des paramètres de maille proches de ceux du composé GdNi4B. Leremplacement total du Ni par des atomes de Fe et/ou Co est possible, indiquant l’existence d’une solutionsolide totale entre TRNi4B et TRFe4B ou TRCo4B. En outre, le bore est supposé occuper partiellementdeux sites cristallographiques différents, mais l’un seul d'entre eux est principalement occupé par le bore.La nouvelle phase GdNi2,5B2,5 a également été observée dans cette étude pour la première fois. Unephase pseudo-binaire GdB3 a été également reportée. Enfin, il est montré que seul le composé LaNi4Babsorbe l'hydrogène, quoique de manière irréversible. / The aim of this study was the comprehension of hydrogen storage mechanisms and theimprovement of storage capacity in (1) magnesium and (2) boron based intermetallic compounds.(1) Magnesium powders with 10 wt.% magnesium oxide were milled using a planetary ball mill, byreactive mechanical grinding under hydrogen atmosphere (10 bar) for 10 hours, varying two parameters:the milling speed and the number of balls used (i.e. the powder-to-ball weight ratio). It appears that thepowders milled at 250 rpm using 17 balls (ratio 1: 13) have superior performances in terms of: particlesize, MgH2 content after milling, specific surface area and hydrogen absorption/desorption kinetics. Wehave verified that the magnesium oxide has a significant effect on grain growth, delaying it. Calculation ofthe activation energies and study of the kinetics showed that magnesium oxide does not play a catalyticrole for hydrogen sorption.(2) The compounds synthesized in the ternary systems La-TM-B, Gd-TM-B and Y-TM-B (TM=Ni,Fe, Co) were studied in terms of their crystal structure, chemical composition and hydrogen sorptionproperties. Most of the compounds obtained in these systems crystallize with a CeCo4B-type structure,with lattice parameters close to those of the compound GdNi4B. A total replacement of Ni by Fe and/or Cois sometimes possible, meaning that a total solid solution exists between RENi4B and REFe4B or RECo4B.Also, the boron is assumed to partially occupy two different crystallographic sites, although only one ofthese is mainly occupied by boron. The new phase GdNi2.5B2.5 was also observed in this study for the firsttime. In addition, a pseudo-binary phase GdB3 is observed. Finally, it is reported that only the compoundLaNi4B absorbs hydrogen, albeit irreversibly.

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