Materials Today丨北科大吕昭平：新一代轻质高温材料，兼具超强塑性与高温性能！
2024-12-23 11:38:35
作者：材料设计 来源：材料设计
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通式为Mₙ₊₁AXₙ（n = 1、2、3）的MAX相，其中M为前过渡金属，A为A族元素，X为碳或氮，是一类具有纳米层状六方晶体结构的化合物，其兼具类陶瓷性能（例如，高熔点、高刚度、低密度以及高耐腐蚀性和抗氧化性）和类金属特性（例如，高导电性和高导热性、抗热震性、出色的抗损伤能力以及优良的可加工性）。
这些独特的性能使其在涉及极端恶劣环境的应用中颇具前景，未来有望用作核燃料包壳材料，以及在强酸、强碱和高温条件下运行的轴承、涡轮叶片和主轴等。过去几十年里，科研人员在MAX相陶瓷的设计与合成方面投入了大量精力，尽管已经取得了诸多进展，但MAX相陶瓷的广泛结构应用仍然难以实现，这主要是由于其为此，北京科技大学吕昭平课题组借鉴金属领域的高熵概念，将局部化学波动（LCFs）引入到MAX相的原子堆积层中，利用Zr、Nb和Ta替代了Ti₂AlC这一MAX相模型中的Ti元素，成功研制出一种高熵MAX相(TiZr₀.₆NbTa)₂AlC，同时保留了其晶格结构。这种新型MAX相中增强的局部化学波动产生了强烈的晶格应变，增加了位错滑移的阻力，进而使其在1473K（1200℃）的高温下也能具备超过500MPa的高压缩屈服强度。此外，LCF还促使变形过程中发生交滑移和层错，有效缓解了应变局部化，促进了均匀变形，最终提高了室温和高温下的塑性。本项工作不仅有助于深入理解MAX相的一般变形机制，还为改善其力学性能提供了一条有价值的途径，使其有望成为极具竞争力的下一代轻质高温材料。
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相关成果以「High-entropy MAX phase with ultrahigh strength and large plasticity mediated by local chemical fluctuations」为题刊登在Materials Today上。
图1. 高熵MAX（HE-MAX）的室温力学性能。
图2. HE-MAX的高温力学性能。
图5. 变形HE-MAX相样品的TEM分析，展示了298K和1473K下变形所产生缺陷的特征。图6. LCF对HE-MAX中位错滑移和广义层错能（GSFE）的影响。总之，我们设计并制备出了一种高熵MAX相，其在室温和高温下均展现出高强度和增强的塑性。分析表明，高熵MAX相具有以LCF为特征的独特原子结构，这种结构会产生较大的晶格应变，因而对位错运动有很强的抵抗力，最终即便在超高温度下也能产生较高的宏观强度。同时，LCF有效促进了交滑移，从而有利于位错间的相互作用并增强了位错增殖。此外，LCF促进了层错的形成，尤其在高温下更是如此，进而阻碍了位错运动并协调了c轴方向的应变。由LCF引发的多种微观变形机制有效地缓解了应变局部化，并使得在298K（室温）和1473K（高温）下的塑性得以增强。当前这项研究证实了"高熵"概念可应用于MAX相，这改变了其变形机制，并为设计和优化高性能MAX相材料提供了宝贵思路。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.08.004
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