MAX相表面A元素晶须自发生长规律与机理的研究

The MAX phases are a family of ternary carbides and nitrides with nanolaminated structures, possessing a combination of the best attributes of metals and ceramics, showing potential applications in Li-ion batteries, fuel cell, high-speed train and military industries. However, the spontaneous growth of the A-element whiskers from MAX phase surfaces will certainly be a concern on the stability of this materials, whereas the mechanism of the whisker growth is still far from understood. In this project, two types of MAX phases will be synthesized as testing materials, i.e. those containing low melting point A-elements such as Ga, In, Sn and those showing immediate commercialization potential containing Al or Si as A-elements. The spontaneous A-element whisker growth from these MAX phases will be systematically investigated. In the meantime, techniques including first principles calculation, differential scanning calorimetric analysis, nanoindentation, electron microscopic observation and analysis on samples cut with focus ion beam (FIB) will be applied to study the effects of the electronic structure, microstructure, crystalline orientation, phase transformation, temperature and stress on the spontaneous growth of whiskers, in order to understand the mechanism of the growth. The results of this project will provide information on the following aspects: (1) to understand the stability of the properties of MAX phases, particularly when used at temperatures near the melting point of A-elements; (2) to help understanding the spontaneous metal whisker growth in general which haunted the electronic industries for nearly 70 years; (3) to control and manipulate the whisker growth process that may lead to choices for new materials development.

MAX相是具有层状结构的三元碳化物或氮化物，兼备金属与陶瓷的性能特征；有望近期在锂电池、燃料电池、高铁、核能以及国防等领域发挥优势。但是，MAX相表面A元素晶须的自发生长必将引起性能的不稳定，而其生长规律与机理还没有得到充分的认识。本项目将以含有Ga、In、Sn等低熔点A元素的MAX相，以及含有Al、Si等具有比较明确应用前景的MAX相为研究对象，揭示其表面晶须的自发生长规律。同时分析MAX相的电子结构、微观组织、晶体取向、相变、以及环境等因素对晶须生长的影响，从热力学、晶体学等角度阐明其自发生长的机理。研究成果将有助于（1）认识在应用过程中，尤其是在接近A元素熔点温度的环境下MAX相的性能稳定性；（2）为解决困扰人们近70年的广义上的金属晶须自发生长问题，提供更为合理的依据；（3）利用晶须的自发生长现象并控制其过程，开拓新材料的合成途径。

针对MAX相材料表面A元素晶须自发生长现象，本项目以Cr2GaC，Ti2SnC，Cr2AlC，Ti3SiC2等MAX相材料为代表，系统地研究了A元素晶须自发生长的元素来源、环境因素、生长机制以及抑制晶须生长的策略等。同时，也对MAX在电触头材料中的应用以及MAX的衍生物MXene在水处理方面的应用进行了探索性研究。.首先，以含有Ga和Sn的MAX相为例，通过实验研究了A晶须自发生长的元素来源，明确了其并非MAX晶格中的A原子。其次，通过对Cr2GaC，Ti2PbC，Ti2SnC，Zr2InC的研究、观察，确定了室温下，含低熔点A元素的MAX相表面A元素晶须生长的普遍性。第三，以Cr2AlC以及Ti3SiC2为研究对象，通过适当升高温度，暂时没有发现A元素晶须大量自发生长现象。第四，通过对含有Ga/Sn的MAX相表面Ga/Sn晶须的深入研究，排除了晶须生长的“压应力（梯度）”机制。第五，提出了一个全新的“界面催化形核”机制，该机制全面解释了MAX相表面A元素晶须的自发生长规律和晶须的几何特征。第六，探索了Ag-MAX相材料的电接触性能，结果显示Ag-Ti3SiC2在电接触材料应用方面具有明显优势。第七，由MAX相母体，制备了MXene，并对其进行改性、修饰，提高了其污水处理性能。.项目研究结果确定了室温及较低温度下MAX相中A元素的稳定性，消除了人们对MAX相服役稳定性的疑虑；发现了室温下含有低熔点A元素的MAX-A体系中晶须自发生长的普遍性；提出了一个全新的金属晶须自发生长机制，阐明了A晶须生长方向与MAX相晶体取向的关系，首次发现了相界面在晶须生长过程中的作用，为解决70年来悬而未决的金属晶须自发生长现象提供了新视角，进而为保障电子系统的可靠性提供了理论基础；探索了MAX相在电接触材料中的应用以及改性MXene的污水净化性能，两者有望在绿色制造和污水净化领域发挥重要作用。本项目资助期间共发表论文8篇，其中SCI检索7篇，参加会议报告8人次，申请专利9项。