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    科学家发现新型MAX相及其优异的弹性性能

    文章来源:物理研究所   发布时间:2019-04-12  【字号:     】  

      MAX相是一类分?#37038;?#20026;Mn+1AXn的非范德瓦尔兹型层状化合物,其中M为过渡族金属,包括Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf或Ta,A为主族元素Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Cd、In、Sn、Tl和Pb,X为C或N元素。该系列材料因其优异的综合热学、电学以及力学性能已在很多领域获得应用,尤其是在高温导电部件与高温结构部件领域,受到了广泛的关注。近年来,MAX相通过室温腐蚀?#30830;?#27861;去掉主族元素A,可以方便地获得一系列?#32423;?#32500;材料MXenes,在储能材?#29616;?#26377;着很好的应用前景,也成为材料领域的研究热点之一。

      MAX相的研?#31185;鶚加?0世纪60年代,至今已经有70余种MAX相被相继发现,其晶体结构可看作是由单层三棱柱配位的MA层与n层八面体配位的MX层交替排列而成,根据不同的n值,存在有M2AX相、M3AX2相与M4AX3相,即211相、312相与413相。费米面附近的能带主要来自MX层的贡献,这是其金属导电的主要原因,AX层主要是起到性能调控作用。在该系列材?#29616;蠱X八面体层可以为多层,含有多层MA层的MAX目前尚未有报道。

      中国科学院物理研究所/?#26412;?#20957;聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室研究员陈小龙、郭丽伟、副研究员金士锋和博?#21487;?#38472;洪祥等,基于结构设计,开始?#30805;?#20110;含有多层化MA层的MAX相的探索。在含有As、P元素的三元体系中发现了分?#37038;?#20026;Mn+1AnX(n=2)的MAX系列新相,包括Nb3As2C、Nb3P2C、Ta3P2C和V3As2C,简称321相。通过X射线衍射结构解析与高?#30452;?#30005;子显微图像,确定了其晶体结构。该系列材料空间群为P63/mmc,结构均含有MA三棱柱与MX八面体的结构基元,晶体结构可以看作由两层三棱柱配位的MA层与单层八面体配位的MX层交替排列而成,不同于含有单层MA结构基元的传统MAX(Mn+1AXn)相。

      该团队与中科院高能物理研究所研究员李晓东和博士杨栋梁合作,通过高压同步辐射X射线衍射,发现Nb3As2C在高达47 GPa的压力下仍保持着晶体结构的稳定性,并通过不同晶胞体积随着压力变化,得出Nb3As2C具有高达225(3) GPa的体积模量,该数值为所有MAX相中最高的之一,与第一性原理计算结果相符。其中Nb3P2C的性能最优,剪?#24515;?#37327;EV = 371.8 GPa, 弹性模量GV = 152.0 GPa。该材料毒性小、密度低,具?#26143;?#22312;的应用前景。

      321相是第一个具有化学式为Mn+1AnX相(n>1)的MAX系列新相,其发现证明?#30805;?#23618;MA也可以与MX结合形成一类全新的MAX。其独特的晶体结构以及优良的力学性能值得继续深入探究,并为人们探索新MAX相提供了新的思路。同时也为合成新的MXenes?#32423;?#32500;材料提供了可能。

      相关研究成果发表在《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2019 58(14) 4576~4580, doi:10.1002/anie.201814128)。该工作受到国家自然科学基金(51532010, 91422303)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDJ-SSW-SLH013)以及中科院战略性先导科技专项(XDB07000000)的支持。

     

    图1:MAX相家族:传统Mn+1AXn相与新系列Mn+1AnX相的晶体结构。

     

    图2:Nb3As2C的晶体结构




    (责任编辑:?#24230;?#20248;)

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