硫族MAX相硼化物的物相稳定性和性能预测

Zr2SB、Hf2SB、Zr2SeB、Hf2SeB、Hf2TeB都是近期发现的硫族MAX相硼化物,与典型MAX相相比,具有明显不同的性质,因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M=Zr,Hf;A=S,Se,Te)的物相稳定性、力学性能和热性能。理论分析结果与目前可用的实验结果一致。经热力学和本征稳定性分析后发现,只有M2AB可以稳定存在。较短的M−A键与M−B键长使Hf系化合物的键刚度高于Zr系化合物,这也同样导致Hf系化合物的硬度高于Zr系。随着A元素由S到Se再到Te,M−B与M−A键长逐渐增加,键刚度减小导致弹性模量降低。而且,这些化合物的体积模量取决于其平均化学键刚度。更加重要的是,最弱键和最强键的刚度比(kmin/kmax)较高,显示这些MAX相硼化物不同于传统MAX相,均呈本征脆性。考虑晶格振动(声子)和电子激发的贡献后计算得到M2AB等压热容及热膨胀系数(TEC),均在300 K以下随温度升高先快速上升后上升速率逐渐降低,这与其它MAX相类似。较低的键刚度导致Zr系MAX相硼化物的平均线热膨胀系数整体上高于Hf系,而且在300~1300 K区间与大部分MAX和MAB相一致。

MAX相陶瓷增强金属基复合材料:制备、性能与仿生设计

由于原子间存在共价键、金属键与离子键的混合键合状态,MAX相陶瓷兼具金属和陶瓷材料的性能特点,并且常与金属之间表现出良好的润湿性,有助于形成强界面结合,独特的层状原子结构使MAX相陶瓷表现出良好的断裂韧性、阻尼与自润滑性能。因此,作为金属基复合材料的增强相,MAX相陶瓷具有显著优势,本文着重介绍相关研究进展。目前,MAX相陶瓷增强金属基复合材料主要通过搅拌铸造、粉末冶金和熔体浸渗等途径制备,得到的复合材料表现出优于金属基体的强度、硬度与模量,同时还具备良好的耐磨、导电、抗电弧侵蚀等性能。此外,借助真空抽滤、冰模板等工艺可实现超细片状MAX相陶瓷粉体的择优定向排列,然后利用金属熔体浸渗多孔陶瓷骨架,可获得具有类贝壳结构的MAX相陶瓷增强金属基仿生复合材料,进一步提升材料的强韧性能。MAX相陶瓷增强金属基复合材料在承载、电接触等应用领域具有显著优势和广阔前景。

MAX相材料的耐铅铋腐蚀性能研究进展

铅冷快堆(LFR)以具有良好的热物理特性和化学稳定性的液态铅或铅铋合金(LBE)作为冷却剂,但是高温下LBE与结构材料长期接触带来的腐蚀问题会导致材料失效并带来安全隐患。MAX相材料因其优异的力学性能、高温耐腐蚀性能和抗辐照性能,成为铅冷快堆的重要结构材料之一。Ti-Si-C、Ti-Al-C和Zr-Al-C是目前被用于进行LBE腐蚀研究的三种常见MAX相材料体系。近年来,有越来越多的研究者们在不同腐蚀条件下的LBE中开展了腐蚀实验,但是对于MAX相材料的LBE腐蚀机理的分析仍不够系统和深入,也少有提高耐腐蚀性能的改性方法被提出。本文在简要介绍MAX相材料的结构、化学组成和制备方法之后,归纳综述了MAX相材料在高温液态LBE中的腐蚀行为及腐蚀机理的研究进展,提到了温度、氧浓度、时间和流速等不同因素对腐蚀层结构的影响。最后,探讨将用于提升MAX相材料在其他高温介质中耐腐蚀性能的改性方法,引入到针对耐LBE腐蚀性能研究的可能性。

PEMFCs金属极板表面改性MAX相涂层的制备与应用研究进展

金属双极板是质子交换膜燃料电池系统的关键组件,但在酸性环境中易腐蚀、导电性能退化、寿命短。Mn+1AXn(MAX)相涂层作为具备金属高导电性和陶瓷耐蚀抗氧化性的材料,在改性金属双极板涂层研究中备受关注。综述了金属双极板表面防护MAX相涂层材料与应用技术的最新研究进展。MAX相涂层的制备方法多样,包括化学气相沉积、物理气相沉积、固相反应和喷涂制备等方法。针对不同的制备方法,详细描述了MAX相涂层的制备过程,并阐述了不同制备方法对MAX相涂层材料的表面形貌和微观结构间的影响变化。特别关注了MAX相涂层在质子交换膜燃料电池中的应用,并重点分析了以Ti-Al-C、Ti-Si-C和Cr-Al-C为代表的MAX相涂层。通过电化学腐蚀测试来测量涂层在酸性环境中的腐蚀速率,以及涂层腐蚀前后的界面接触电阻测试,对涂层导电耐蚀性能的变化等进行了详细阐述。同时,对MAX相涂层的导电耐蚀机制及表/界面服役损伤机理进行了深入分析。从涂层的元素组成、晶体结构和第一性原理等方面,揭示了涂层中元素分布和相互作用对导电性能的影响。此外,还分析了晶化程度、钝化膜成分差异和原子取向等因素对涂层耐蚀性能的影响。最后,围绕目前双极板表面MAX相涂层在实际应用中存在的问题进行了探讨,并提出了未来研究的重点方向。

MAX相材料在液态Pb和LBE中的腐蚀行为研究

MAX相因其优异的综合性能成为铅冷快堆的重要结构材料之一。介绍MAX相在液态Pb和铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)中的腐蚀行为,分析温度、氧浓度、液态金属流速、腐蚀时间、材料成分及表面状态等因素对MAX相材料液态金属腐蚀行为的影响,并指出MAX相材料液态金属腐蚀研究中存在的问题及潜在的研究方向。

耐事故燃料锆合金包壳MAX相材料Cr_(2)AlC涂层的研究进展

MAX相材料是一种三元层状结构类金属陶瓷材料的碳/氮化物,兼具金属和陶瓷的优良性能,MAX相材料Cr_(2)AlC涂层材料因其优异的抗氧化性、耐腐蚀性和耐辐照性而具有应用于耐事故燃料锆合金包壳的潜力,本文综述了该领域MAX相材料Cr_(2)AlC涂层材料的研究进展,总结了Cr_(2)AlC涂层材料的氧化行为、腐蚀行为、失效机制和改进方向的进展情况。调研表明,对涂层进行表面改性,如引入中间层和在其表面添加金属层等,可增强涂层的抗氧化和防腐蚀性能。本文通过对现有文献的调研,论述Cr_(2)AlC涂层的优点和弊端,为进一步在航天、化工、核工业等领域的工程应用提供参考。

基于新元素和新多层结构的MAX相陶瓷材料研究进展

由于独特的层状结构和原子间特殊的化学键合,MAX相陶瓷材料(化学式为M_(n+1)AX_(n))兼具金属和陶瓷材料的优异性能,在很多领域具有广泛的应用前景,自20世纪60年代问世以来就一直备受关注。至今已经发现了100多种MAX相陶瓷材料,其中包括80余种单相以及一系列固溶体。传统的MAX相局限于一定的元素范围和若干M_(6)X层与单A原子层交替堆垛的结构。最近含有Au、Ir、Cu、Zn等新元素的MAX相材料的成功合成大大丰富了MAX相家族,多A层和多MA层结构MAX相的发现也打开了新型MAX相研究的一扇大门。随着理论计算的发展和实验条件的进步,越来越多的新型MAX相陶瓷材料逐渐出现在人们的视野中。本文综述了基于新元素和新多层结构的MAX相的国内外实验合成和理论研究进展,并指出了后续研究需要克服的问题,最后对新型MAX相的研究方向和发展趋势进行了预测和展望。

新型快速高精度主动学习算法的开发:以MAX相晶体的材料力学性能预测为例

近年来,MAX相晶体由于独特的纳米层状的晶体结构具有自润滑、高韧性、导电性等优点,成为全球的研究热点之一.其中M2AX相晶体兼具陶瓷和金属化合物的性能,同时具有抗热震性、高韧性、导电性和导热性,但是由于该类材料的单相样品实验制备比较困难,从而限制了其发展.主动学习是一种利用少量标记样本可以达到较好预测性能的机器学习方法,本文将高效全局优化算法与残差主动学习回归算法相结合,提出了一种改良的主动学习选择策略RS-EGO,基于169个M2AX相晶体的数据集,对M2AX相晶体的体模量、杨氏模量与剪切模量进行建模与预测寻优,通过计算模拟的方式来探索材料性能从而减少无效的验证实验.结果发现,RS-EGO在快速寻找最优值的同时具有较好的预测能力,综合性能要优于两种原始选择策略,也更适合样本量较少的材料性能预测问题,同时选择不同的结合参数会影响改良算法的优化方向.通过在两个公开数据集上运用改良算法证明了其有效性,并给出了结合参数的选择,设计不同结合参数下的模型实验,进一步探究不同参数对模型优化方向的影响.

MAX相的制备方法研究进展

三元层状化合物MAX相兼具陶瓷与金属材料的诸多优良性能,广泛应用于各领域。其存在形态有粉体、块状和薄膜3种。本文综述了MAX相粉体、MAX相块体和MAX相薄膜的国内外制备方法、研究现状,指出需进一步解决的问题,最后展望了MAX相3种形态的发展趋势和研究方向。

V_(2)AlC MAX相涂层的宽温域摩擦学性能研究

MAX相涂层是一类兼具陶瓷和金属性能的层状结构材料,具有优异的抗氧化和抗腐蚀性能,同时M位元素丰富,在宽温域摩擦过程中生成具有润滑作用的M基氧化物,受到广泛关注.本文中选择可生成V基Magnéli润滑相的V_(2)AlC体系,采用电弧复合磁控溅射技术结合后续热处理制备高纯V_(2)AlC MAX相涂层,并系统研究该涂层在室温~700℃宽温域下的摩擦磨损机理.研究发现,涂层在300和500℃时摩擦形式主要以黏着磨损和磨粒磨损为主.当环境温度高于600℃时,V的外扩散和氧化导致涂层表面生成层状V_(2)O_(5)润滑相,在600℃时形成连续的润滑膜,从而使V_(2)AlC涂层具有最佳的摩擦学性能.同时,保留的V_(2)AlC主相在摩擦过程中起承载作用,降低涂层的磨损率.

三元层状MAX相固溶体研究进展

MAX相是一类具有层状结构的三元碳化物或(和)氮化物,M是过渡金属元素,A主要是ⅢA~ⅤA族元素,X是C或N元素。这类化合物兼具陶瓷材料和金属材料的特点,具有优异的导电、导热、耐腐蚀以及抗氧化等性能,在诸多领域具有潜在应用价值。近年来,新元素、新结构和固溶体MAX相的不断出现,进一步扩展了MAX相家族。固溶体MAX相是将合适的元素固溶到已知MAX相中而得到的新MAX相。本文分四类总结了127种MAX相固溶体,对其结构改变和性能调控进行了概括,并指出目前研究存在的理论问题和亟须解决的关键技术,最后对MAX相固溶体的发展进行了预测和展望。

基于A位元素置换策略合成新型MAX相材料Ti_3ZnC_2

MAX相材料是一类兼具金属和陶瓷特性的三元层状材料,在高温导电、耐磨、耐腐蚀和耐辐照损伤等方面性能优异。目前已经合成出的MAX相材料已有70余种,但A位元素一直局限在ⅢA和ⅣA主族元素,如Al、Si、Ga等,而以副族元素占据A位的MAX相鲜有报道。本研究以Ti_3AlC_2为前驱体,利用熔盐中的A位置换反应,制备出了A位为Zn元素的全新MAX相材料Ti_3ZnC_2。结合X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等分析手段对Ti_3ZnC_2的成分和结构进行了确认,并通过密度泛函理论对Ti_3ZnC_2的结构稳定性和晶格参数进行了确定。进一步通过热力学计算对Fe、Co、Ni、Cu等几种元素的A位置换反应进行了预测,发现采用这几种元素的氧化物进行置换反应在热力学上也都具有可行性。本研究所提出的元素置换策略是在保持MAX相六方层状晶体结构的基础上,利用Al、Zn在高温下形成共晶产物实现Zn原子向A层内的迁移,而熔盐介质的存在促进了反应动力学。本方法巧妙地避免了MAX相传统合成过程中竞争相的形成,如M-A合金相,因此可以用于探索更多未知的MAX相材料。

MAX相陶瓷的制备、结构、性能及发展趋势

介绍了三元层状可加工陶瓷MAX相的结构特征、制备方法,室温和高温力学性能,探讨了提高高温力学性能和抗氧化性能的方法,并提出了该类陶瓷的应用前景和发展方向。

高韧性三元层状陶瓷:从MAX相到MAB相

三元层状化合物MAX相和新近引起人们注意的MAB相以其兼具陶瓷和金属的共同特性成为结构陶瓷领域20余年的研究热点,而高损伤容限和高断裂韧度是其区别于传统陶瓷的本质特征。本文简要回顾了MAX相的整体发展脉络和MAB相的最新研究进展,重点分析了纳米层状结构对宏观力学行为的影响及其内在机制。基于第一性原理计算结果建立的键刚度模型在实现对化学键强度的定量表征基础上,更重要的是阐明了"足够"弱的层间结合是三元层状陶瓷表现出非凡力学性能的根本原因。而Fe_(2)AlB_(2)在室温附近所出现的磁热效应(MCE)则显示了MAB相化合物在功能领域的良好应用前景。经过20余年的持续研究,MAX相化合物的结构和性能逐渐变得清晰,目前针对具体场景的应用研究在世界各地蓬勃开展起来。然而,目前对MAB相化合物的认识还很有限。因此,合成和表征现有已知MAB相化合物的结构、力学性能、物理性能以及基于应用背景的使役行为是现阶段的重要任务。其中,基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理数值模拟可扮演重要角色,正如其在理解MAX相化合物的非凡性能和发现新型化合物时所起的重要作用一样。

MAX相金属陶瓷材料研究进展与展望

MAX相材料因集合了陶瓷和金属的高硬度、高弹性模量、高温稳定性、可加工性、良好的导电/导热性等优异性能,在熔盐储热、熔盐电解、熔盐辅助合成和熔盐堆发电等变革性能源应用领域获得广泛关注,在高温、强腐蚀、高强辐照等极端恶劣环境具有很好的应用前景.全面综述了MAX相金属陶瓷材料的结构、物化性能和制备方法,跟踪了MAX相家族的新相合成以及MXene二维材料的最新研究进展,并提出MAX相金属陶瓷材料的应用前景和发展方向.

MAX相陶瓷摩擦学研究进展

三元层状M_(n+1)AX_n相陶瓷(简称MAX相陶瓷)因其优异的综合性能使其在摩擦学领域有着诸多潜在的应用,本文全面综述了MAX相陶瓷及其复合材料的摩擦学研究现状,总结了MAX相陶瓷及其复合材料的相关摩擦学机理,并在此基础上提出了MAX相陶瓷摩擦学可能的发展趋势.

层状陶瓷材料MAX相的摩擦学性能研究进展

MAX相是一类三元层状化合物,由于其同时具备金属和陶瓷的优异性能,近年来受到人们的广泛关注。MAX相的层状结构预示其将有望成为性能良好的固体润滑材料。主要介绍温度、滑动速度、载荷、对偶种类和显微结构等因素对MAX相材料摩擦磨损性能的影响,综述了MAX相材料在摩擦学方面的研究进展。

MAX相陶瓷的结构、制备及物理性能研究

MAX相陶瓷因具有独特的MX片层与A片层交替堆叠的晶体结构,使其兼具金属和陶瓷的优良特性,如良好的导热导电性、可加工性,同时具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性以及耐摩擦磨损等性能,具有非常广泛的应用前景。本文首先介绍了MAX相陶瓷材料的种类与晶体结构,并简述了近几年新发现的MAX相陶瓷材料以及制备手段的发展动态。之后从MAX相物理性能的角度出发,重点综述了几种典型MAX相陶瓷材料的弹性性能、电学性能、热学性能、磁性能以及抗辐照性能的研究进展。此外,进一步介绍了MAX相的二维衍生物MXene的衍生过程、超导性以及其在电化学储能、催化领域的研究进展。最后,本文从探索MAX相材料新结构的多样性、MAX相物理性能及相关理论计算、MXene二维材料以及相应的制备、表征和应用等方面,展望了MAX相陶瓷材料的潜在研究方向及应用前景,为MAX相和MXene材料的深入研究提供了新的思路。

微波烧结制备MAX相–金刚石复合材料

采用三元层状导电可加工陶瓷Mn+1AXn(简称MAX相)材料粉体和金刚石粉体为原料,通过微波烧结制备以MAX相为结合剂的金刚石复合材料,研究MAX相的种类与金刚石含量对该复合材料的物相组成与显微形貌的影响。通过高温微波烧结MAX相–金刚石复合材料,金刚石表面会形成不同的涂层组织。MAX相的种类与金刚石含量对复合材料中基体组成和金刚石的表面涂层状态有显著影响。实验结果表明:在Ti2SnC–金刚石复合材料中,烧结后Ti2SnC会发生严重的分解,分解生成Sn与TiC,在含量较低时,表面仍然光滑,金刚石表面黏附少量富锡圆形组织;当金刚石含量较高时,金刚石表面形成许多细小TiC颗粒。在Ti3AlC2–金刚石复合材料中,Ti3AlC2分解后生成Al与TiC,金刚石的表面受到明显的侵蚀,同时在表面形成Al4C3和Al2O3二元组织。对于Ti3SiC2–金刚石反应体系,基体主相均为Ti3SiC2。当金刚石质量分数为10%时,同时还含有少量Si、TiSi2和SiC;当金刚石质量分数为20%时,基体中还含有少量TiC,金刚石表面形成了SiC和TiSi2二元涂层组织。

三元层状化合物MAX相的研究进展

三元层状化合物MAX相是一种新型结构功能材料,兼具金属和陶瓷的优良性能。本文综述了MAX相及其复合材料的合成方法、组织结构及相关物理特性与机械性能,并预测了MAX相今后的发展趋势。