Fundamental Research | 侯新梅教授：Sn掺杂浓度对MAX相（Ti3AlC2）氧化过程影响的相关研究

Fundamental Research 2022-12-31

Fundamental Research 2022年第2卷第1期封面

Sn掺杂浓度对MAX相（Ti₃AlC₂）氧化过程影响的实验和理论模拟研究

关键词：MAX相，锡掺杂，抗氧化，界面反应，理论模拟

随着现代科学技术的迅速发展，人类对材料性能的要求越来越苛刻，单一材料往往很难满足人类的使用要求。MAX相中同时拥有金属键和共价键，因此其兼备金属和陶瓷的优点。MAX相材料可加工性优良、导热性和导电性好、抗热冲击稳定性高、质轻、杨氏模量高且抗氧化性优异。这使得MAX相在冶金、航空航天、机械等领域广泛应用。

MAX相是一类由过渡金属元素、主族元素和碳或氮组成的层状三元化合物。其中，Ti₃AlC₂是目前发现最轻的312系MAX相，其密度为4.25 g/cm³。同时Ti₃AlC₂也具备优异的抗氧化性能。然而，Ti₃AlC₂在Ti-Al-C相图中相域较窄，并且其合成原料Al容易蒸发损失。因此Ti₃AlC₂的合成过程中会不可避免地形成TiC、Ti₂AlC或Ti_xAl_y金属间化合物等杂质，会影响Ti₃AlC₂的应用。为提升Ti₃AlC₂的纯度，研究者尝试向Ti-Al-C体系中引入Si、Sn和B₂O₃等添加剂。其中，引入Sn替代Al可以有效地解决上述问题从而合成高纯的Ti₃AlC₂。另外，Sn的掺入可以提高Ti₃AlC₂的抗弯强度，降低Ti₃AlC₂的合成温度。然而Ti₃AlC₂的抗氧化性很大程度上取决于Al含量。在相同温度下，20 mol% Sn掺杂Ti₃AlC₂的氧化抛物线速率常数比纯Ti₃AlC₂高2~4个数量级。因此，确定合适的Sn掺杂浓度范围对获取较高纯度的Ti₃AlC₂同时保持较好的抗氧化性至关重要。

近期，北京科技大学侯新梅教授团队采用模拟和实验相结合的手段从实验和理论角度系统研究了Sn掺杂浓度对Ti₃AlC₂氧化行为的影响，相关结论发表在国家自然科学基金委员会主管、主办的 Fundamental Research 期刊。研究通过第一性原理和分子动力学方法，揭示了氧化过程中Ti₃AlC₂/O₂界面反应的本质。同时，根据理论计算结果，当Sn掺杂浓度超过10 mol%时，氧化产物中SnO₂抑制了具有保护性连续Al₂O₃层的形成，从而降低了Ti₃AlC₂的抗氧化性能。热重氧化实验结合材料物相形貌衍变验证了理论模拟结果。由此提出不同浓度Sn掺杂的Ti₃AlC₂氧化机理（图1）。该工作为设计具有高抗氧化性能MAX相材料提供了理论依据和数据参考。

图1. 不同Sn掺杂浓度下Ti₃AlC₂的氧化机理图。

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第1期发表的文章“C. Guo, E. Wang, Y. Liu, et al., Effect of Sn doping concentration on the oxidation of Al-containing MAX phase (Ti₃AlC₂) combining simulation with experiment, Fundamental Research 2(1)(2022) 114-122”。

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主要作者简介

侯新梅 北京科技大学钢铁共性技术协同中心、北京材料基因工程高精尖创新中心教授，博士生导师。承担国家杰出青年科学基金等项目。主要从事高温界面反应动力学等相关理论、高性能陶瓷制备新方法及在冶金、能源等方面的应用研究。

王恩会 北京科技大学副研究员，硕士生导师，入选第七届中国科协青年人才托举工程。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目等课题，参与“十四五”国家重点研发计划1项。主要从事新型耐火材料研发及服役过程高温界面反应动力学研究。

郭春雨 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心博士。主要从事基于机器学习成分影响机理模型研发新型MAX相及应用方面的研究工作。

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