基于等离子分解和 A 位元素主导氧化物结构的 Ti2AlC 与 Ti3SiC2 MAX 相增强 Al2O3 涂层的不同微波吸收机制

《Journal of Materials Science & Technology》：Different microwave absorption mechanisms of Ti 2AlC and Ti 3SiC 2 MAX–phase reinforced Al 2O 3 coatings via plasma decomposition and A–site–element–dominated oxide structures

　　摘要- 在超音速火焰喷涂（SAPS）过程中，Ti?SiC? 与 Ti?AlC 均分解为 TiC 与金属间化合物（Ti?Si? 或 Ti?Al?）。- 经氧化的 Ti?AlC/Al?O? 涂层借助 TiO?/Al?O? 界面增强极化损耗，在 1.1 mm 厚度下 EAB 达 7.2 GHz，RL 最小值为 ?26.54 dB。- 经氧化的 Ti?SiC? 形成带裂纹的 TiO? 外壳，屏蔽内部界面并抑制电磁波吸收。- 分子动力学模拟表明，在 Ti?Al? 中 Al 的扩散速率约为 Ti 的 2.8 倍，在 Ti?Si? 中 Ti 的扩散速率约为 Si 的 3.7 倍，从而主导了氧化物的形貌。引言由于航空航天和超高速武器领域的强烈需求，高温电磁波吸波材料（尤其是超过 700 °C）已得到广泛研究 [1,2]。与磁性电磁波吸波材料相比，介电损耗型陶瓷更适合高温环境，因为它们可以避免因磁性能退化和相变导致的功能损失。在介电损耗型陶瓷中引入氧空位缺陷和大量异质界面，可以增强极化弛豫损耗并优化其电磁波吸收性能。在这些增强手段中，纳米尺度氧缺陷 TiO? 受到了特别关注 [3,4,5]。例如，通过碳热还原向纯 Ti?O? 中引入 3.33 at.% 的氧空位，EAB 成功由 2 GHz 提高到 3.2 GHz [6]。通过在 Ti?C?T? MXene 纳米片上原位热退火生成 TiO?，三维 N 掺杂 CF/MXene/TiO? 纳米气凝胶在 2.23 mm 厚度下实现了 6.92 GHz 的 EAB，RL 最小值达 ?72.56 dB [7]。由于密度低、稳定性优异且具有良好的电磁波透过性能，Al?O? 常被用作高温电磁波吸波涂层的基体 [8,9,10]。要获得优异的高温电磁波吸收涂层，在 Al?O? 基体中生成 TiO? 是一个不错的选择。含 Ti 的 MAX 相（特别是 Ti?AlC 和 Ti?SiC?）在氧化过程中可生成 TiO? [11,12]。对于 Ti?AlC，Al 原子的外扩散会形成厚而连续的 α-Al?O? 层，随后由于 Ti 原子沿 α-Al?O? 晶界外扩散，该层被 TiO? 层覆盖 [13,14,15]。对于 Ti?SiC?，长期氧化后会形成外层 TiO? 和内层 SiO? [16]。遗憾的是，这两种 MAX 相中生成的 TiO? 颗粒粗大且分布不均匀，限制了其电磁波吸收能力。最近，我们前期的研究表明，等离子体可将 Ti?AlC 转化为均匀分布的纳米 TiC 和 Ti?Al?，因为等离子体火焰温度可达约 6000 °C，冷却速率可达 10? °C/s [17,18]。氧化后，TiC 和 Ti?Al? 被氧化为纳米 TiO? 团簇和 Al?O? [19]。在 20 wt.% Ti?SiC?/Al?O? 涂层中，Ti?SiC? 在等离子体喷涂过程中也被分解为 TiC 和 Ti?Si?，其厚度为 1.3 mm 时 EAB 达到 2.3 GHz [20]。然而，这种"等离子体辅助分解后再氧化"的策略是否普遍适用于不同的含 Ti MAX 相，以及 A 位元素如何控制最终氧化物形貌和电磁波吸收行为，仍不清楚。为揭示微观转变机制，尤其是无法通过实验直接观测的原子尺度过程，分子动力学（MD）模拟是一个有用工具。例如，Kang 等 [21] 采用 MD 模拟研究了 1273 K 下 Ti?AlC (0001) 表面的初始氧化过程，发现 O? 的解离促进了 Al–Ti 混合氧化膜的形成。然而，这种"等离子体辅助分解—氧化"策略能否普遍适用于不同的含 Ti MAX 相，特别是 A 位元素如何调控等离子体衍生产物的氧化演化并最终决定其电磁响应，仍不明确。为解决这一问题，本研究在相同的 SAPS 及后续氧化条件下对比研究了 Ti?AlC 和 Ti?SiC?。与以往主要针对单一 MAX 相氧化或电磁波吸收行为的研究不同，本工作建立了 A 位元素依赖的扩散动力学、氧化物构型演化、异质界面特征与电磁波吸收之间的直接关联。通过将系统的微观结构表征与分子动力学模拟相结合，从原子尺度阐明了 Al 和 Si 在调控 Ti?AlC 衍生和 Ti?SiC? 衍生涂层演化中的不同作用。这些发现为 MAX 相衍生高温电磁波吸波涂层的成分与界面设计提供了新的机理性认识。章节摘要样品制备图 1(a, b) 给出了原始复合粉末以及氧化处理前后涂层的 X 射线衍射结果。SAPS 后，原始 Ti?SiC?/Al?O? 粉末中的 Ti?SiC? 分解为 TiC 和 Ti?Si?（对应约 39.8° 2-Theta 处的峰），原始 Ti?AlC/Al?O? 粉末中的 Ti?AlC 分解为 TiC 和 Ti?Al?（对应约 38.7° 2-Theta 处的峰）。氧化后，Af-Ti?SiC? 中仅检测到 Al?O?、TiO? 和微弱的 SiO? 峰。类似地，TiC 和 Ti?……结论通过 SAPS 制备了 Ti?SiC?/Al?O? 和 Ti?AlC/Al?O? 复合电磁波吸收涂层。在 SAPS 过程中，Ti?SiC? 和 Ti?AlC 均分解为金属间化合物（Ti?Si? 或 Ti?Al?）和 TiC 球。这两种涂层均未检测到明显 EAB。为优化其性能，采用了 950 °C、空气中 2 h 的氧化处理。在含氧的 Ti?Si?/TiC 模型中，在初始 Ti?Si? 区域，Ti 的均方位移（MSD）大于 Si。结合显微观察，这与……CRediT 作者贡献声明马昌盛：写作—审阅与编辑、写作—初稿、可视化、监督、软件、数据整理。尹学奇：写作—初稿、可视化、软件、方法论。马一湖：可视化、软件。郭东辉：写作—审阅与编辑。马国政：写作—审阅与编辑、监督。王海道：写作—审阅与编辑。周杨：写作—审阅与编辑、监督、项目管理。余文波：写作—审阅与编辑、写作—初稿。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作得到"国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才"（编号：M25C00010）的资助。作者：Chaosheng Ma | Xueqi Yin | Yihu Ma | Donghui Guo | Guozheng Ma | Wang Haidou | Yang Zhou | Wenbo Yu