三元层状材料结构调控及性能研究进展

MAX/MAB相是一类非范德华三元层状材料,具有丰富的元素组成和晶体结构,兼具陶瓷和金属的物理性质,在高温、强腐蚀、辐照等极端环境中极具应用潜力。近年来,由MAX/MAB相衍生的二维(2D)材料(MXene和MBene)在材料物理与材料化学领域引起了广泛兴趣,已经成为继石墨烯和过渡金属硫族化合物之后最受关注的二维范德华材料。MAX/MAB相材料结构调控不仅对这类非范德华层状材料本征性能产生重要影响,而且对其衍生的二维范德华材料结构功能特性研究也具有重要价值。本文归纳和总结了MAX/MAB相层状材料在结构调控、理论计算和应用基础研究等方向的最新科研进展,并展望了该类层状材料未来发展方向。     

MAX相增强金属基复合材料的研究现状及应用

Mn+1AX_n(简称MAX)为一种三元层状材料,当其作为金属基复合材料的增强项时,可使复合材料具有优异的力学性能和摩擦学性能,拓展了金属基复合材料的种类和应用范围。本文对MAX相的应用与性能进行了介绍,总结了MAX相增强金属基复合材料的界面对复合材料导电性和力学性能的影响,并对MAX增强金属基复合材料的摩擦学行为进行了综述,同时总结了MAX相作为增强相在协同摩擦、单相摩擦和高温摩擦中的磨损机理。最后对MAX相未来研究方向进行了展望。     

熔盐法合成纳米层状 Sc_2SnC MAX 相(英文)

MAX相是一类兼具金属和陶瓷特性的三元层状材料,也是合成二维MXenes的前驱体材料。理论预测稳定的三元层状MAX相材料约有600余种,目前实验合成的三元层状MAX相材料已有80余种,但M位主要为前过渡族金属,而对M为稀土元素的三元MAX相鲜有报道。本研究以Sc、Sn,和C元素粉为原料,通过熔盐法合成了M位为稀土元素Sc的全新Sc_2SnC MAX相材料。结合X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱等分析手段,确认Sc_2SnC MAX的相组成和微观结构。并通过密度泛函理论计算了Sc_2SnC MAX相的结构稳定性、晶格参数、力学和电子性质,理论计算结果表明Sc_2SnC热力学稳定, Sc-3d电子在费米能级上占主导地位, MAX相呈金属性质。     

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。     

方兴未艾的三元层状材料及其二维衍生物

正MAX相材料是由三种元素组成的天然层状碳氮化物无机非金属类材料,其具有金属的导电和导热性质,也具备结构陶瓷的高强度、耐高温、耐腐蚀等苛刻环境服役能力。MAX相材料在高温润滑、耐氧化涂层、事故容错核材料、自修复复合材料和能源材料等领域获得了广泛的关注,国内外材料学家都在积极开展大量的探索研究。MXene材料是通过"自上而下"的合成手段将MAX相材料中A位元素腐蚀抽离而形成的,从MXene的命名可以看     

基于A位元素置换策略合成新型MAX相材料Ti3ZnC2

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Ti₃AlC₂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Ti₃ZnC₂。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Ti₃ZnC₂的成分和结构进行了确认, 并通过密度泛函理论对Ti₃ZnC₂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。     

多功能一体化MAX相改性连续纤维增韧陶瓷基复合材料的研究进展

连续纤维增韧陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites, CMCs)因其优异的性能在航空发动机、空天飞行器热防护系统、核能电站等领域具有广泛的应用前景。现阶段, CMCs的应用已由单一结构承载向多功能一体化发展。MAX相是一类能够发生塑性变形的三元层状陶瓷, 具有高导电、抗辐照和抗烧蚀等优异性能, 将其引入CMCs可实现强韧化与抗辐照/抗烧蚀/电磁屏蔽效能的协同提高, 满足多功能一体化CMCs的应用需求。本文综述了MAX相作为CMCs界面相和基体相的研究进展, 阐述了其设计机理, 并展望了MAX相在CMCs中的应用前景。     

三元层状陶瓷Ti2SnC的研究进展

MAX相化合物由于兼具陶瓷和金属的综合性能而引起了广大研究者的关注,Ti_2SnC与其他M2AX相化合物相比很少被研究。Ti_2SnC具有高的韧性及模量、高的损伤容限、良好的导热导电性能及抗热震和抗氧化性能等。这些优异的性能使其成为高温结构和功能应用的潜在材料。文章主要综述了三元层状陶瓷Ti_2SnC的晶体结构、理论研究、合成方法、性能的研究进展,分析了利用不同方法合成Ti_2SnC的机理,并展望了其应用前景。     

三元层状碳氮化合物(MAX相)及其衍生二维纳米材料(MXene)研究趋势与展望

近年来, 三元层状碳氮化合物(MAX相)及其衍生二维纳米材料MXene受到了科学界的广泛关注。MAX相的晶体结构由M_n+1X_n结构单元与A元素单原子面交替堆垛排列而成, 兼具金属和陶瓷的诸多优点, 在高温结构材料、摩擦磨损器件、核能结构材料等领域有较大的应用潜力。MAX相的A层原子被刻蚀之后获得成分为M_n+1X_nT_x(T_x为表面基团)的二维纳米材料, 即MXene, 具有丰富的成分组合以及可调谐的物理化学性质, 在储能器件、电磁屏蔽、电子器件等领域表现出良好的应用前景。本文简要介绍近年来国内外MAX相和MXene材料领域在成分与结构、合成方法、性能与应用研究等方面的研究动态, 据此展望未来几年该类新颖材料的发展方向。     

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Fe2AlB2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.     

M位与A位双固溶MAX相的磁学性能研究

三元层状化合物MAX相兼具金属与陶瓷优良的力学性质, 通常被认为是一类高安全结构材料。有研究显示, 通过熔盐法可以将副族元素插入到MAX相A位层间, 获得具有铁磁性能的V₂(Sn, A)C (A =Fe、Co、Ni和Mn)材料。因而, 如何构建新的MAX相结构并对实现其磁性调控备受关注。本研究通过MAX相M位和A位双固溶的方式设计了四种新型MAX相(V, Nb)₂(Sn, A)C (A =Fe、Co、Ni和Mn)。XRD、SEM、EDS结合TEM分析证实了上述新相的合成。超导量子磁强计(Superconducting quantum interference device magnetometer, SQUID)测试磁学性能发现, M位固溶后的MAX相的居里温度与其四方率(c/a)、元素组成有关。(V, Nb)₂(Sn, Fe)C、(V, Nb)₂(Sn, Ni)C、(V, Nb)₂(Sn, Mn)C相较于M位固溶Nb元素之前的V₂(Sn, A)C相, 其矫顽力H_c和剩余磁化强度M_r减小, 饱和磁化强度M_s增大。而V₂(Sn, Co)C在M位固溶Nb元素之后磁性变化均与前述MAX相相反。通过以上结果, 揭示了M/A位双固溶对MAX相磁性的影响规律, 为调控MAX相磁性提供了新的思路。     

不同制备温度下Ti2SnC增强银基复合材料的物相、微观组织和物理性能演变(英文)

大部分能源必须转化为电能才能为人类所利用，而在电能的传输和分配过程中，开关起着决定性作用。电触头是开关的核心组件，其质量和性能直接关系到终端设备工作的稳定性和安全性。长期以来，传统Ag/CdO复合电触头材料的毒性问题无法得到有效解决，而现有无Cd电触头材料(Ag/SnO₂、Ag/ZnO、Ag/C、Ag/Ni等)仍存在诸多问题。因此，开发新型环保高性能电触头增强相材料是低压开关用电触头发展的迫切需求和必然趋势。近年来，MAX相作为一种新型层状陶瓷材料，兼具金属的导电、导热、易加工和陶瓷的耐高温、耐腐蚀、稳定性好等双重特性，完全契合电触头增强相材料的性能要求，在银基复合电触头中展示出较强的开发和应用潜力。在已报道的MAX相家族中，Ti₂SnC的导电性最为优异，增强银基复合材料后对其在服役过程中保持低接触电阻和温升十分有利。因此，本工作选择Ti₂SnC作为Ag基增强相材料，研究制备工艺对复合材料结构和性能的影响。首先，本工作基于粉末冶金工艺在不同烧结温度下制备了Ag/10%Ti₂SnC(质量分数)(Ag/...     

ZrC/Cr2AlC复合材料的微观结构及力学性能研究

Cr₂AlC是MAX相家族中具有代表性的三元层状碳化物, 它兼具金属和陶瓷的特性, 有导电、耐腐蚀、抗氧化等优异性能。为进一步提高Cr₂AlC的综合性能, 本研究以ZrC为增强相, 利用热压烧结技术制备了ZrC/Cr₂AlC复合材料, 探讨了增强相含量(10vol%~20vol%)对材料力学性能的影响。结果表明: 10vol% ZrC/Cr₂AlC复合材料的弯曲强度和硬度分别为715 MPa和7 GPa。相比Cr₂AlC材料的强度(398 MPa)和硬度(3.4 GPa), 复合材料的强度和硬度提高幅度分别为80%和106%。采用扫描电子显微镜对材料的微观结构进行了分析, 阐明了复合材料具有较高性能的原因。本研究为拓宽Cr₂AlC材料的应用领域奠定了基础。     

二维纳米材料MXene的研究进展

MXene是一类新型碳/氮化物二维纳米层状材料,一般是利用化学刻蚀的手段通过选择性刻蚀掉前驱体MAX相中的A原子层而得到.其通式可表示为Mn+1XnTx,其中M代表早期过渡族金属,X代表碳和/或氮,Tx代表MXene在刻蚀过程中产生的附着在其表面的官能团(-OH、-F、=O、等).采用一定的手段将多层MXene剥落,可获得类石墨烯形貌的单层MXene.MXene除了具备传统二维材料的性能外,还兼具良好的导电性、亲水性、透光性、柔韧性以及能量储存性能,在复合材料、润滑剂、环境污染治理、电池、电容器、催化、传感器、抗菌等领域具有潜在的应用价值.文章总结了MXene的制备、结构、性能和应用等方面的最新成果,并展望了其今后的研究方向.     

二维纳米材料MXene的研究进展

MXene是一类新型碳/氮化物二维纳米层状材料,一般是利用化学刻蚀的手段通过选择性刻蚀掉前驱体MAX相中的A原子层而得到。其通式可表示为M_(n+1)X_nT_x,其中M代表早期过渡族金属,X代表碳和/或氮,T_x代表MXene在刻蚀过程中产生的附着在其表面的官能团(-OH、-F、=O、等)。采用一定的手段将多层MXene剥落,可获得类石墨烯形貌的单层MXene。MXene除了具备传统二维材料的性能外,还兼具良好的导电性、亲水性、透光性、柔韧性以及能量储存性能,在复合材料、润滑剂、环境污染治理、电池、电容器、催化、传感器、抗菌等领域具有潜在的应用价值。文章总结了MXene的制备、结构、性能和应用等方面的最新成果,并展望了其今后的研究方向。     

硅粉含量对石墨层状复合材料结构与性能的影响

以石墨纸、酚醛树脂、硅粉为原料,采用热压烧结法制备了以石墨纸为主相的石墨层状复合材料。利用电子万能试验机测试材料的抗弯强度,借助光学显微镜进行形貌分析,研究了不同硅粉含量对石墨层状复合材料结构和性能的影响。结果表明:随着硅粉含量的增加,材料的密度和垂直于叠层方向的抗弯强度呈上升趋势,而材料断裂功则先增加后下降。石墨层状材料断口形貌呈锯齿状,主裂纹沿穿厚方向扩展的过程中频繁发生偏折,使材料得到韧化。添加适量的硅粉可以获得综合性能优良的石墨层状复合材料。     

GIT插层材料微观结构及对SnO2基体气敏性能的影响

合成了具有微观层状结构的纳米级氧化石墨,并在100℃以下通过插层反应制备得氧化石墨插层SnO2(GIT),也具有层状结构;通过AFM、FE-SEM、XRD、DSC-TG对其形貌、微观结构、物相、热性能进行分析;在SnO2基体材料中掺入适量GIT插层材料,经过适当的热处理,制备GIT-SnO2复合气敏元件.气敏性能测试表明,材料具有较低的电阻,在200-300℃范围内对丁烷具有较高的灵敏度.     

室温磁电材料的制备与性能

室温下具有磁电性能的多铁性材料是近年来研究的热点,分析了室温铁磁电单相材料和复合材料的制备方法及其性能,特别是外延生长、二次烧结和无机/有机复合技术分别对单相铁磁电薄膜、颗粒弥散型以及层状铁磁电复合材料结构与性能的影响.结果表明,通过诱导晶格变形、消除体系杂相,能获得具有强室温磁电性能的单相磁电材料.通过提高磁性颗粒在复合材料中的分散程度,可以明显增强弥散型磁电复合材料的磁电性能.将磁性和铁电材料进行层状复合,选择合适的外场耦合模式,得到了高磁电耦合系数的复合材料.     

固相法制备层状结构LiMnO_2正极材料

阐述了层状结构LiMnO2正极材料固相合成反应的基本原理;分析了该正极材料的多种固相合成方法,包括低温固相法、化学还原法、机械化学法和高温固相法等;综述了由不同的锰源固相法合成层状结构LiMnO2正极材料的研究现状,并对其发展前景进行了展望。     

层状LiNixCoyMn1-x-yO2正极材料的制备及改性研究进展

综述了近年来有关于层状LiNixCoyMn1-x-yO2正极材料的研究进展,重点介绍了LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的结构及4种主要合成方法--高温固相法、共沉淀法、溶胶-凝胶法和喷雾干燥法,比较了不同合成方法及组成对材料性能的影响.层状LiNixCoyMn1-x-yO2正极材料具有价格低廉,热稳定性好,容量高等优点,但由于其制备比较困难,振实密度低,高倍率放电性能不好,影响了其商业化的进程.因此,探索新的制备方法,对材料进行掺杂和包覆改性,进一步提高正极材料的振实密度和电化学性能仍是今后的研究热点.