课题组博士生田志华在高纯MAX相A位固溶体合成及性能调控研究中取得新进展

课题组博士生田志华在陶瓷领域国际知名期刊Journal of the European Ceramic Society上以“Synthesis of Ti₂(In_xAl_1-x)C (x = 0–1) solid solutions with high-purity and their properties”为题发表研究论文。该工作合成了高纯度、全成分的Ti₂(In_xAl_1-x)C固溶体，并表征了固溶体的结构、成分与性能，揭示了固溶体在烧结过程中的形成机理。

 MAX相是一大类层状非范德华固体，其性能可通过固溶策略（M位、A位、X位）调控。近年来，其衍生物二维材料MXenes（通过刻蚀A位原子得到，通常是Al）的迅速发展使M位MAX相固溶体的制备成为研究热点。而A原子层与MX层相对较弱的键合对MAX相的诸多物性有更加显著的影响，但A位固溶体的研究却未受到足够关注。主要原因是A位元素取代通常会引起相分离和杂质（杂质含量过高，甚至无法生成MAX）。当前已合成的A位固溶体成分可控性差，往往因为元素挥发，相分离等原因而偏离设计成分，难以得到成分连续的固溶体。这阻碍了对MAX相性质、性能与其A位成分之间依赖关系的深入研究。

针对上述问题，本研究以TiC、Ti、Al、In粉为原料，首次通过无压烧结法合成了高纯度、全成分的Ti₂(In_xAl_1-x)C (x = 0–1) A位固溶体（图1），这也是In/Al首次同时占据MAX相A原子层。结合XRD、SEM、TEM、EDS等表征技术确认了目标固溶体的形成，且其实际成分接近设计成分，实现了成分调控。

图1合成的Ti₂(In_xAl_1-x)C固溶体粉末的XRD图谱

利用热分析方法揭示了Ti₂(In_xAl_1-x)C的形成路径（图2），结果表明，在富In侧(x ≥ 0.5)，在中间温度（如x = 0.8时，为881℃）即可形成初生Ti₂InC微晶，它们可为随后的固溶体形成提供晶种（核心），固溶体颗粒逐步长大并在相互接触时停止生长，最终导致富In固溶体呈现簇状形貌。相反，在富Al侧没有初生Ti₂AlC形成，因此最终的固溶体颗粒呈现非簇状形貌。这也意味着通过调节In含量实现了MAX相的形貌调控。

图2. 富Al侧（a, c）和富In侧（b, d）固溶体起始混合物的DSC曲线以及在不同温度下保持后的XRD图谱

此外，结合理论计算和实验，研究了固溶体的性质和性能。通过Rietveld精修确定的Ti₂(In_xAl_1-x)C的晶格常数a和c遵循Vegard定律，并且它们的性能强烈依赖于其A位成分。Ti₂(In_xAl_1-x)C的硬度和弹性模量随着In含量的增加而单调降低（图3）。电化学测试表明，在0.5 M HCl溶液中，所有固溶体都无法形成稳定钝化膜，并且A位原子层更易于被活性溶解，但是，In固溶可改善固溶体的耐蚀性能。

图3. Ti₂(In_xAl_1-x)C固溶体的计算弹性模量和测量维氏硬度

该工作得到了国家自然科学基金、江苏省研究生科研创新计划项目的支持。

论文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0955221923004971