基于第一性原理的新型三元可加工陶瓷理论设计及实验验证

A class of layered ternary MAX compounds have attracted great attention due to its unique combination of both metal- and ceramic-like properties, which render it to be the suitable candidature for many structural and functional applications. It is one of the interesting research topics to theoretically predict new MAX compounds, where the phase stability plays a critical role. However, the present method based on the chemical thermodynamics could not predict the phase stability accurately because it is a kinetical problem in origin. To concern this problem, the present project is going to investigate general trend and intrinsical mechanism for the formation of MAX phases, examine their phase stability overall, and build theoretical analytical model, after the intrinsic-stability study using First-principle. In detail, the thermodynamical research would be conducted by comparing the energy of MAX phases with all the competing phases; the kinetical study would be completed by concerning the energy barrier of possible reaction. Then, new MAX compounds with excellent performance for potential engineering application would be designed using some means, such as vacancy, solid solution, doping and so on. These predictions would be verified experimentally. The project will clarify the formation mechanism of MAX phases from a new perspective, and lay the foundation for the theoretical design of new materials.

一类三元层状可加工陶瓷材料MAX相由于具有金属和陶瓷的共同性能而受到广大材料研究者的广泛关注，具有广阔的应用前景。理论预测具有优异工程性能的新型MAX材料是目前的研究热点之一，其中它的物相稳定性扮演了核心角色。然而由于物相稳定性在本质上是一个动力学问题，因而目前单纯基于热力学的分析方法难以准确预测MAX相的稳定性。针对这一问题，本课题将采用第一性原理计算方在本征稳定性分析基础上，重点从热力学和动力学分析和研究MAX相化合物的形成规律和内在机制，综合考察物相稳定性，建立理论分析模型。具体地，通过比较体系中MAX相与其它所有竞争相的能量差研究热力学稳定性；计算相关化学反应和多态性相变的势垒，考察动力学稳定性。然后，通过控制晶格空位、掺杂和固溶等方法理论设计和预测具有优异工程性能的新型MAX相材料，并在实验中进行初步验证。该课题将从新的视角阐明MAX相的形成机制，为新材料的理论设计奠定基础。

一类三元层状可加工陶瓷材料MAX相由于具有金属和陶瓷的共同性能而受到广大材料研究者的广泛关注，具有广阔的应用前景。理论预测具有优异工程性能的新型MAX相材料是目前的研究热点之一，其中它的物相稳定性扮演了核心角色。本基金项目以发展高损伤容限、可加工、抗氧化并具有良好高温性能的高温结构陶瓷新材料为目标，提出了采用第一性原理方法研究该类化合物的物相稳定性并在晶体结构和电子结构尺度上理论预测和设计新型三元层状陶瓷。考虑到含铝三元化合物（Mn+1AlCn）良好的抗氧化性能及其在高温领域的潜在应用，在项目的执行过程中，重点研究了该系列三元碳化物（包括MAX相碳化物和Hf-Al-C系三元碳化物）的物相稳定性、平衡性能、晶格动力学（拉曼和红外振动）、化学键刚度、弹性性能和可压缩行为等，考察了这些微观性能的基本规律及它们之间的相互关系，在电子结构和晶体结构层次上建立了微观性能和宏观性能（力学、电学性能）的本征关系，并揭示了实验现象出现的内在原因；采用第一性原理方法预测了MAX相材料衍生物-二维过渡金属碳化物MXenes的晶体结构、电子结构、弹性刚度和光学性能并发现这些性能对表面官能团的强烈依赖性，从理论上揭示了该类材料表现出高光透过率的根本原因；此外，本课题还对MAX相（Ti2AlC）、MXenes和三元层状硼化物MAB相开展了实验合成与表征，以验证理论预测结果和开发新型工程材料。本课题有助于揭示在MAX相等三元化合物形成的一般规律和内在机制，深入理解实验现象出现的根本原因，设计和开发具有优异性能的工程材料并为其实现应用奠定基础。