三元层状陶瓷Ti3SiC2的高温氧化行为

研究了以自蔓延准热等静压和热处理工艺制备出的高纯、致密的Ti3SiC2块体材料的高温氧化性能.采用XRD,SEM和EMPA分析了氧化膜表面形貌、组织结构和成分.研究结果表明,在1000℃的空气中,Ti3SiC2陶瓷材料具有优异的抗氧化性能,且恒温氧化行为与循环氧化行为相似.其在120h内的氧化动力学曲线趋近于直线-抛物线规律.随着氧化时间的延长,氧化膜由TiO2和SiO2混合物组成的单层结构逐渐过渡到双层结构.双层结构的内层为固溶了SiO2的TiO2层,而外层为纯金红石相.     

碳纳米管-Ti3AlC2/AZ91D复合材料的微观组织及力学性能

采用化学镀铜的方法对增强相碳纳米管(CNTs)和Ti₃AlC₂进行表面改性,热压烧结制备了CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料,研究了其微观组织和力学性能的变化及增强机制。结果表明:CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料内部主要物相为CNTs、Ti₃AlC₂、Mg和Al₁₂Mg₁₇,增强相均匀分布在基体内,在增强相与基体的界面处存在U相(MgAlCu),使二者界面结合良好。当增强相CNTs 和Ti₃AlC₂含量分别为1wt%和25wt%时,较镁合金AZ91D,CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料的弹性模量、拉伸强度、屈服强度和延伸率分别提高了120.30%、25.72%、126.50%和36.84%,弯曲强度和压缩强度分别为337.92 MPa和436.27 MPa。CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料的断裂方式表现为脆性断裂,其强化机制主要为热配错强化、Orowan强化和细晶强化机制。      

硫族MAX相硼化物的物相稳定性和性能预测

Zr₂SB、Hf₂SB、Zr₂Se B、Hf₂Se B、Hf₂Te B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(k_min/k_max)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M<...     

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.     

Ti2AlC热力学性能的第一性原理研究

利用基于第一性原理计算方法的CASTEP,结合准谐德拜模型对Ti2AlC热力学性能进行研究。通过Burch-Murnaghan拟合E-V曲线,得到Ti2AlC的平衡体积,并计算在常压和不同温度下的标准摩尔生成焓,标准熵,标准摩尔生成吉布斯自由能等热力学数据。     

Fe-Ni-Al合金在900℃时的氧化行为研究

为了提高Fe-Ni合金的抗氧化性能,采用熔铸法制备了50Fe-40Ni-10Al三元合金,采用增重法研究了其在900℃空气中的高温氧化行为.利用XRD、SEM和EDS对氧化膜进行了表征.结果表明:氧化过程满足抛物线规律;经过开始时的快速氧化后,在氧化膜底部生成了一层连续完整的Al2O3膜,阻止了Al的内氧化及其他金属的氧化,氧化速度显著降低;氧化产物以Fe2O3、Fe3O4为主,含有少量的Al2O3以及尖晶石型氧化物AlFe2O4;Fe2O3和Al2O3形成了固溶体;氧化进行过程中Al2O3的含量逐渐上升.所得合金具有良好的抗氧化性能,基本满足作为惰性阳极材料的要求.     

新型三元层状硼化物Cr4AlB4的物相稳定性和力学行为分析

Cr₄AlB₄是一种近期发现的三元层状硼化物MAB相陶瓷。该材料可形成具有保护性的氧化膜, 在高温结构材料领域有巨大应用潜力。本工作采用基于第一性原理的“线性优化法”和“键刚度”理论模型分别研究了Cr₄AlB₄的物相稳定性和力学行为。声子谱中没有虚频出现, 表明Cr₄AlB₄具有本征稳定性。而与其它Cr-Al-B系内的竞争相相比, Cr₄AlB₄具有最低的能量, 表明其在热力学上也是稳定的。采用“键刚度”模型对化学键刚度的定量计算显示, Cr₄AlB₄中Cr和B以及B和B原子之间形成了强共价键, 而Cr和Al原子则形成相对较弱的Cr-Al(625 GPa)和 B-Al(574 GPa)键。Cr₄AlB₄可以看成是由强共价键紧密连接在一起的Cr-B结构单元, 被弱Cr(B)-Al键分割而成的层状结构, 与MAX相结构类似。Cr₄AlB₄具有类似于MAX相的高损伤容限和断裂韧性。     

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。