【摘 要】
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MAX相是一系列层状材料的总称,由于M、A和X原子之间特殊的成键类型,使得该类材料具有陶瓷和金属的优良性能,这种材料的独特性能使之具有很广泛的应用前景。随着更多的MAX相材料被制备成功,研究者已不仅仅停留在对现有的MAX相材料的探索。因此预测与合成出新的MAX相材料,越来越吸引了研究者的兴趣。本论文通过理论计算和实验研究相结合,采取理论计算指导实验方案、实验研究验证预测结果的方法,预测和合成新MA
【基金项目】
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国家自然科学基金； 河南省科技创新人才杰出青年基金； 河南省基础与前沿项目；
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MAX相是一系列层状材料的总称,由于M、A和X原子之间特殊的成键类型,使得该类材料具有陶瓷和金属的优良性能,这种材料的独特性能使之具有很广泛的应用前景。随着更多的MAX相材料被制备成功,研究者已不仅仅停留在对现有的MAX相材料的探索。因此预测与合成出新的MAX相材料,越来越吸引了研究者的兴趣。本论文通过理论计算和实验研究相结合,采取理论计算指导实验方案、实验研究验证预测结果的方法,预测和合成新MAX相。通过使用第一性原理计算和高通量计算相结合,预测稳定MAX相。首先构建了108种不同成分的M2AC相的晶体结构,研究每种成分的低能量结构,研究每一成分低能量结构的热力学、力学和晶格动力学稳定性,探索每一成分低能量结构在相图中的稳定性,成功预测了54种热力学、力学和动力学上都稳定的M2AC相。其中,有37种已经实验合成得到,还有17种尚未实验合成。本文从理论计算预测的17种尚未实验合成的M2AC相中,选择Sc2SC作为目标相进行实验合成。以Sc粉、S粉和C粉为原料,通过调整原料配比、温度、保温时间等实验条件,在真空密闭环境和氩气环境两种气氛条件下,尝试高温合成Sc2SC相。通过使用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等实验仪器对不同条件下制备的样品进行表征和分析,确定了Sc2SC相的最佳合成条件。在流动氩气环境下,合成的样品中含有大量的杂相,Sc2SC相含量较少。在真空密闭环境下,通过调节保温时间、原料配比、温度等条件,得出Sc2SC相的最佳合成条件为:原料摩尔比为Sc:S:C=2:0.2:1、温度1300℃、保温3小时。在此条件下,所合成样品中Sc2SC相已为主相,但样品中常常出现一定量的Sc3C4和Sc2OC杂相。通过调整酸（碱）的种类、反应温度、反应时间和酸（碱）的浓度等实验条件,成功遴选出硝酸溶液可以成功地去除Sc3C4杂相,最佳除杂条件为:15%浓度硝酸、温度为40℃、反应时间为3-4小时。对除去Sc3C4杂相后的Sc2SC样品的XRD结果,进行了Retiveld精修。得出Sc2SC相的晶格参数为:a=3.455?、b=3.453?、c=17.727?。样品中目标产物Sc2SC的含量为92.4wt%、杂相Sc2OC的含量为7.6wt%。SEM结果显示样品中Sc2SC相为层状结构,具有典型的MAX相形貌特征。STEM清晰给出了Sc2SC相的原子排列,和理论计算的结果相一致。对Sc2SC相进行热稳定性研究发现其在空气环境下,在温度500℃以下可以稳定存在,基本上没有发生氧化,当温度达到500℃以上时,样品中开始出现氧化物Sc2O3。当温度超过700℃时,Sc2SC全部被氧化成Sc2O3。在氩气环境下,Sc2SC相可一直保持稳定到1100℃。
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