MAX相化合物的热力学性质的第一性原理计算及纯化处理

The new structure function material, with a combination of the properties of both metals and ceramics, was defined as the formula of MAX phases in 2000. In this work,we research the practical application in industry of our successful preparation of the large size titanium aluminum carbon ceramic as wear-resisting brush material and collector ring ,optimization theory model and general method are established for our synthesized MAX phases, such as Cr2AlC, Ti2SC, Nb4AlC3 and Nb2AlC. Then the electronic structure,phase stability thermodynamics properties of the MAX phases are investigated based on Fist-principles calculations which include the constants of enthalpy, free energy, thermal expansion coefficient, Debye temperature and elastic modulus,filling the blank of synthetic materials on some theoretical data. And the theoretical analysis results are correctly verified by using experimental analysis, thermal analysis methods and dynamic analysis, which give a theoretical basis for further research and to promote the use of these materials on industrial. Moreover, to improve the information database of the ternary ceramic MAX phases and purification of their composites, the purification process and mechanism of the MAX phases are investigated by heat-treatment, pickling, alkali cleaning and ultrasound crush corrosion methods.

MAX相是2000年才提出来的概念，该类材料是具有金属和陶瓷双重特性的新型结构功能材料。本项目就本团队成功制备的大尺寸钛铝碳陶瓷作为耐磨材料电刷及汇流环等在工业上的实际应用进行研究，同时就最新制备的系列MAX相化合物(Cr2AlC、 Ti2SC、Nb4AlC3、Nb2AlC等)，通过建立最优化的理论分析模型和一般方法，基于第一性原理计算该类化合物的电子结构、物相稳定性以及热力学性质(如焓、自由能、热膨胀系数、德拜温度等热力学数据随温度的变化情况)，填补新合成系列材料理论数据上的空白。并采用实验分析、热分析等方法来验证理论分析模型的正确性，从而为该类材料的深入研究奠定理论基础。同时针对MAX相难以合成高纯材料的情况，拟采用热处理、酸洗、碱洗等方法对材料进行除杂纯化处理，研究材料纯化工艺及机制。从而，为三元陶瓷MAX相信息化数据库的完善及材料的纯化与应用起到支撑作用。

MAX相是种兼具金属和陶瓷双重特性的新型结构功能一体化材料。本研究针对新制备的系列MAX相化合物，通过建立最优化理论模型，基于第一性原理计算其电子结构、物相稳定性及热力学性质，填补新合成材料理论数据上的空白。并采用实验分析、热分析等方法来验证理论分析模型的正确性，从而为该类材料的深入研究奠定理论基础。针对MAX相难以合成高纯材料的情况，采用热处理、酸洗等方法进行除杂纯化，并研究其纯化工艺及机制。本研究制备的高纯钛铝碳陶瓷实现了工业化生产，实现了成果转化应用，项目获得省科技一等奖（自然类）。本研究主要得到如下研究结果：.采用低成本、低能耗的燃烧合成技术制备出了系列高纯度MAX陶瓷（Ti3AlC2、Ti2AlC、Ti2SnC、Ti2SC、Cr2AlC）粉体，并首次合成出了Nb2AlC、Nb4AlC3和Ta4AlC3等化合物。合成的Ti2AlC粉体纯度最高为99.5%，Ti2SC及Ti2SnC纯度达到90%以上。制备的 Ti2AlC块体表现出最高的弯曲强度（620MPa），首次发现 Ti2AlC 在压缩状态（800-900℃）较弯曲状态（900-950℃）具有较低的韧脆转变温度（BDTT）。当Ti3AlC2陶瓷粉体的热处理温度为1050℃时产物纯度最高。Ti3AlC2陶瓷在40％Na OH溶液中腐蚀率最小。研究了某些MAX相化合物的氧化机理及氧化机制，从而为三元陶瓷MAX相信息化数据库的完善及材料的纯化与应用起到支撑作用。.基于第一性原理建立了“键刚度”模型，即三元层状陶瓷中最弱化学键刚度与最强化学键刚度的比值 (kmin/kmax)大于 1/2 时，材料表现出典型脆性陶瓷的低损伤容限和断裂行为；研究首次发现并提出了一种新型 MAX 相晶体结构（Ti4GaC3 的α型和γ型结构）。第一性原理模拟计算表明，Cr2AlC和Ti2SnC在紫外区反射率变化相对较大，表明两种物质具备良好的热稳定性。.课题组制备的高纯度Ti3AlC2、Ti2AlC陶瓷实现了批量生产，发明专利转让给了“哈尔滨新干线轨道交通科技有限公司”，成果转化给企业用于制备新型三元陶瓷复合材料高铁刹车片，研究成果助力企业新型高铁刹车片的研发及生产，企业已经建成年产2万片高铁刹车片的生产线。