碳化硅陶瓷因自身优良的物理化学性能而具有广泛的应用前景。碳化硅的化学键结合特性决定了其难以烧结成型, 因此如何制备高质量碳化硅陶瓷是领域内的难点之一。本研究以三元稀土碳化物Dy₃Si₂C₂作为新型SiC陶瓷的烧结助剂, 依据Dy-Si-C体系的高温相转变原位促进碳化硅的烧结致密化。采用放电等离子烧结技术, 利用金属Dy与SiC反应生成Dy₃Si₂C₂, 对Dy₃Si₂C₂包裹的SiC粉体进行烧结。在1800 ℃、45 MPa的烧结条件下, 得到了致密度为99%、热导率为162.8 W·m ^-1·K ^-1的高纯度碳化硅陶瓷。进一步的研究表明, 高温下Dy₃Si₂C₂与SiC发生共晶反应, 在晶界处产生的液相促进了SiC陶瓷的致密化, 表明稀土层状碳化物Re₃Si₂C₂ (Re=La, Ce…)有助于SiC的烧结致密。

放电等离子体烧结的AlF₃掺杂氧化铝陶瓷在透射电镜(TEM)常规观察条件下发现了一种电子辐照诱导快速相分离行为。在透射电镜的电子辐照下, 球形纳米晶Al颗粒在几秒钟内从原始氧化铝晶粒表面析出。高分辨TEM观察结合衍射花样分析发现原始的F掺杂氧化铝晶粒表面为高度缺陷态, 电子辐照后, 随着Al纳米颗粒析出, 氧化铝晶粒表面的缺陷消失。通过对掺杂过程缺陷反应及氧化铝阳离子亚晶格的深入分析, 提出了一种缺陷辅助间隙原子偏析机理来解释这一现象。即掺杂F离子首先占据氧空位的同时Al离子占据间隙位, 当氧空位被全部占据时, F和Al离子同时占据基体八面体间隙位, 并形成了亚稳定的掺杂态。在氧化铝基体1/3 [11ˉ00]不全位错的作用下, 畸变的阳离子亚晶格产生双聚八面体间隙位。当这些双聚八面体空位被外来Al离子占据时, 正如高分辨图像所观察的, 形成了包含有三个原子层左右的堆垛层错。同时, 沿着层错偏聚在双聚八面体位的掺杂Al离子扮演了析出物早期的角色, 在电子辐照下随着F离子的烧蚀, 不稳定的偏聚Al离子析出成为纳米颗粒并伴随着基体氧化铝的晶格重构。

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。

相图, 又称相平衡图, 是“材料设计的索骥图”, 而涂层的制备过程中(如物理气相沉积, Physical Vapor Deposition, 简称PVD), 系统一般远离平衡态, 获得的相为亚稳相, 相图计算CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams)方法的应用遇到了挑战。本文概述了模拟涂层材料亚稳相图的研究历程, 重点介绍了近期建立的临界表面扩散亚稳相图模型, 即通过耦合CALPHAD、第一性原理计算和高通量磁控溅射镀膜实验的方法对涂层材料的亚稳相进行表面扩散模拟, 相关计算仅需要一个高通量镀膜实验作为基础数据, 获得的亚稳相图也得到了实验验证。由此, 可以建立相关材料体系的稳定和亚稳相图数据库, 通过组分-制备工艺-组织结构和性能的关系, 指导陶瓷涂层材料的设计, 助推研发时间和成本“双减半”目标的实现。

本研究通过使用相图计算(Calculation of Phase Diagrams, 简称CALPHAD)耦合第一性原理计算的方法, 以相图作为判断依据, 探究Ti₃AuC₂、Ti₃IrC₂、Ti₃ZnC₂和Ti₂ZnC新型MAX相在不同温度下的热力学稳定性。使用相图计算(CALPHAD)方法建立起研究体系的热力学数据库, 耦合第一性原理得到的新型MAX相生成焓数据, 最终得到包含新型MAX相的三元相图。研究结果表明Ti₃AuC₂、Ti₃IrC₂、Ti₃ZnC₂和Ti₂ZnC的MAX相具有很好的热力学稳定性, 与实验结果吻合。本研究为确定新型MAX相的热力学稳定性提供了系统的研究方法, 可应用于指导合成更多未知的MAX相材料。

材料基因组工程技术是运用人工智能手段实现新材料按需设计的关键技术, 其中尤为重要的是创新智能算法的开发和应用。本文在总结、分析已有自然启发算法的基础上, 提出建立自然启发算法库(Nature-inspired Algorithms Library, NIAL)的设想; 明确了从不同学科取得算法启发并高通量产生新算法的基本思路; 详细阐述了构建该算法库的基本流程, 并剖析建立自然启发算法库平台的若干优势和特点。最后, 展望了自然启发算法库在新材料研发中的应用模式, 希望借此提升人工智能在材料基因组工程领域的应用水平。

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。

本研究合成了具有垂直栅栏结构的二维MXene材料, 与辣根过氧化物酶进行固定, 构筑了过氧化氢电化学酶传感器。合成的MXene纳米栅栏具有大的比表面积, 优良的电子传导特性和在水溶液中的良好分散特性; 固定化在酶电极上的辣根过氧化物酶分子表现出了优良的过氧化氢催化效果。结果表明HRP@MXene/chitosan/GCE酶电化学传感器在过氧化氢浓度为5~1650 μmol/L范围内表现出很好的线性关系, 最低检测限为0.74 μmol/L, 且具有很好的操作稳定性, 该生物传感器被成功地应用于固态与液态食品中过氧化氢残留检测。

以Mo、Y、Al和C元素粉为原料, 用放电等离子烧结技术(SPS)在1550 ℃合成了新颖的(Mo_2/3Y_1/3)₂AlC MAX相, 并用较温和的化学刻蚀方法剥离得到相应手风琴状形貌的MXene。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和能谱分析(EDS)手段对材料的化学组成、微观结构等进行了表征, 确定最终产物为表面带有官能团的Mo_1.33CT₂ MXene。同时利用第一性原理密度泛函理论计算方法研究了新颖(Mo_2/3Y_1/3)₂AlC MAX相以及对应的Mo_1.33CT₂ MXene的电子结构和性能, 计算结果表明两者均呈现出金属特性, 有望应用于储能、生物传感器和电催化等方面。

为了揭示掺杂离子对具有磁铅石构型的锶铁氧体材料磁性能的影响, 本研究探讨了锶铁氧体及其锰掺杂体系的稳定构型及其磁结构。研究结果表明, 锶铁氧体为亚铁磁性, 与前期的研究结果相吻合。通过比较GGA和GGA+U计算方法, 发现U值的选取对体系的电子结构和原子磁矩有显著影响。当U值为3.7 eV时, 体系由金属性转变为自旋向上带隙为1.71 eV的半导体。原胞总磁矩为40 μ_B。对于Mn替换掺杂的SrFe_12-xMn_xO₁₉体系, 通过不同占据位能量比较, 当单个Mn原子替换(x=0.5)时, Mn离子优先占据Fe (12k)位置; 而当两个Mn原子替换Fe原子(x=1.0)时, 两个Mn分别占据Fe (12k)和Fe (2a)位置。Mn掺杂对锶铁氧体的结构影响较小, 但对于体系的总磁矩和电子结构有较明显的影响。在Mn含量x=0.5和x=1.0时, 自旋向上带隙值分别降低到0.85和0.59 eV, 原胞的总磁矩为39和38 μ_B。本研究可为实验研究提供理论指导。