三元磷化物MAX相M2SbP(M=Ti,Zr,Hf)的制备及其性能研究

The general definition of MAX ceramics is ternary layered carbides or nitrides. In the latest research, the phosphide M2SbP (M = Ti, Zr, Hf) also belongs to the MAX phases. Since the control of synthesis and preparation about phosphide is difficult, this system remains a lot of blank in fabrication, properties, and theoretical studies. This project selected M2SbP (M = Ti, Zr, Hf) as the research system, exploring synthesis method by non-pressure technology, dual-zone technology and hot isostatic pressing technology; chemical reaction process, reaction kinetics and phase formation mechanism are approached. The lattice parameters, bulk modulus and density are calculated via first principles, and microstructure and molecular structure are verified by experimental analysis. In addition to testing the general performance, some special properties such as superconducting, magnetic and optical that the phosphide might have will be targeted. The relationship between composition - structure - performances will be identified. The project is the very first systematic study about phosphide in MAX phases, which can expand the definition of the MAX phase, and create new areas of research and application. There will be a very important significance.

MAX系列陶瓷的一般定义为三元层状碳化物或氮化物，最新的研究发现，磷化物M2SbP（M=Ti, Zr, Hf）也属于MAX相。由于磷化物合成制备控制难度较大，该体系材料在合成、性能和理论研究方面基本空白。本项目拟选取M2SbP(M=Ti, Zr, Hf)作为研究体系，通过无压技术、双温区技术和热等静压技术探寻材料最佳的合成方法，并深入研究化学反应过程、反应动力学及其相形成机理。从第一原理计算着手计算出材料的晶胞参数、体积模量和密度，并通过实验验证材料的显微结构和分子结构。除测试材料的一般性能外，有针对性的测试磷化物可能具有的超导、磁性、光学等特殊性能，找出材料组成-结构-性能之间的关系。本项目首次提出对MAX相中的磷化物展开系统研究，可以进一步拓展MAX相的定义，开创MAX相新的研究和应用领域，具有非常重要的意义。

MAX系列陶瓷的一般定义为三元层状碳化物或氮化物，最新的研究发现，磷化物M2SbP（M=Ti, Zr, Hf）也属于MAX相。由于磷化物合成制备控制难度较大，该体系材料在合成、性能和理论研究方面基本空白。本项目选取M2SbP(M=Ti, Zr, Hf)作为研究体系，探寻最佳的合成方法，并深入研究化学反应过程、反应动力学及其相形成机理；分析材料的显微结构和性能。.本项目的一大创新为石英管密封装置的研制，将原料密封于石英管中，成功解决了磷化物挥发和污染难题。选用Ti粉、Sb粉、TiP粉为原料，均匀混合后密封煅烧。当原料在975℃煅烧2次后，获得了高纯的Ti2SbP粉体材料。并采用热等静压方法，于1000℃煅烧8小时，成功制备出高纯致密Ti2SbP块体材料。块体材料的密度为5.56g/cm3，达到理论密度的97.0%（理论密度5.73g/cm3）。通过显微结构分析，本研究合成的Ti2SbP材料晶体发育良好，纯度高、缺陷少。该制备方法和装置均已成功申请专利。.测试了Ti2SbP块体材料的维氏硬度、弹性模量、低温传导等性能，找出材料组成-结构-性能之间的关系。Ti2SbP的维氏硬度在6.5-6.9GPa的范围，比MAX陶瓷的其它211相（维氏硬度为2-5GPa）的维氏硬度要高。弹性模量为106.7GPa，测试结果接近第一原理计算出的理论值。测试了Ti2SbP的电阻率和Hall系数，随着温度的升高，电阻率是逐渐升高的。Hall系数随温度的升高呈下降趋势，在50K和200K附近有两个较大的突变。.本项目在实施过程中，一直在寻找磷化锆(ZrP)和磷化铪（HfP）的供应商，但均未找到。掌握了稳定的Ti2SbP合成技术后，尝试采用元素粉合成磷化锆(ZrP)和磷化铪（HfP），合成纯度不高。Zr2SbP 和Hf2SbP和制备方法，后期仍需进一步研究。.本研究将MAX 相的定义进一步扩展，除碳化物和氮化物以外，扩展到磷化物范畴，具有较大的创新性和理论意义。为三元层状陶瓷的研究开辟了一条崭新的途径。项目基本按照原计划顺利执行，经费支出合理。