通过添加Zn实现的空间稳定(Zr,Ti)-(Al,Sn,Pb,Bi)-C MAX相固溶体，其在A位点上的化学复杂性得到增强

《Journal of the American Chemical Society》：Sterically Stabilized (Zr,Ti)-(Al,Sn,Pb,Bi)-C MAX Phase Solid Solutions with Zn Additions and Enhanced Chemical Complexity on the A-Site

MAX相固溶体通过优化M-和A位元素配比实现立体稳定化，火花等离子烧结在1350–1500°C下制备出高纯度（88.7 wt%）(Zr0.8,Ti0.2)2(Al,Sn,Pb)C及(Zr0.8,Ti0.2)3(Al,Sn,Pb,Bi)C2材料，形成(312-core)/(211-shell)特殊形貌，兼具高韧性（3–5 GPa）、大尺寸血小板（>100 μm）和损伤耐受性。

　　

MAX相是一类纳米层状三元碳化物和氮化物，以其成分多样性而闻名，这体现在它们能够轻松形成具有不同化学复杂性的固溶体上。通过精心设计化学成分，合成MAX相固溶体可以制备出满足特定应用性能要求的材料。本研究提出了一种有效的策略，通过空间稳定其晶胞来设计和制备高纯度的基于化学复杂MAX相固溶体的陶瓷。空间稳定晶胞是通过巧妙平衡不同类型的M元素和A元素来实现的，从而最小化晶格畸变。本研究采用火花等离子烧结技术在1350–1500°C的温度下制备出了高纯度（高达88.7 wt%）的(Zr_0.8,Ti_0.2)₂(Al,Sn,Pb)C和(Zr_0.8,Ti_0.2)₂(Al,Sn,Pb,Bi)C 211 MAX相固溶体。含有Zn和/或Pb/Bi的金属间化合物有助于合成软质（3–5 GPa）、粗晶粒（长度>20 μm，厚度>10 μm）且耐损伤的陶瓷。这些金属间化合物改善了(c)碳化物的溶解性、(b)Sn在碳化物中的扩散以及(c)碳化物对基体的润湿性，从而制备出了(Zr_0.8,Ti_0.2)₃(Al,Sn,Pb,Bi)C₂ MAX相固溶体。形成(Zr_0.8,Ti_0.2)₃(Al,Sn,Pb,Bi)C₂结构促进了非常大的片状晶粒（长度>100 μm）的生长，这些晶粒具有明显的(312核)/(211壳)形态。与Al、Sn、Pb和Bi不同，Zn并未占据A位点。尽管A位点的元素占据量不完全等摩尔，但通过空间平衡降低了晶格畸变，并有助于晶体结构的稳定；同时，A位点的化学复杂性增加了合成MAX相化合物的配位熵，尽管存在M位点的成分限制，但仍进一步提升了其热力学稳定性。