新型Al?SiC???N?固溶体：结合理论与实验方法的合成、微观结构和性能

《Powder Technology》：A novel Al 4SiC 4–xN x solid solution: synthesis, microstructure, and properties via combined theoretical and experimental approaches

　　

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  通过无压烧结合成了新型Al₄SiC_4-xN_x固溶体粉末。
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  氮原子优先占据Al₄SiC₄晶格中的CII位。
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  Al₄SiC_4-xN_x固溶体在热力学和结构上稳定。
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  x = 0.2时机械性能最优，表明存在固溶强化效应。

引言

先进陶瓷材料在高科技领域中起着关键作用，这得益于其卓越的综合性能，包括低密度、高熔点、优异的化学稳定性以及高温下出色的力学强度 [1], [2]。其中，层状三元碳化物因其独特的晶体结构而备受关注，这些结构通常赋予其高损伤容限和抗氧化能力，使其适用于极端环境 [3], [4]。

在Al–Si–C体系中，Al₄SiC₄以其显著的低密度（3.03 g/cm³）、高熔点（2080 °C）以及优异的抗氧化和耐腐蚀性能而脱颖而出 [5], [6]。这些特性表明其在飞机发动机轻量化部件等方面具有相当大的应用潜力。然而，Al₄SiC₄的工程广泛应用受到其室温力学性能相对有限的制约，包括弯曲强度约为297 MPa、维氏硬度为10.6 GPa以及断裂韧性为3.98 MPa·m^1/2 [7], [8]。Liao等人的第一性原理研究将此固有的脆性归因于其层状晶体结构的特定电子结构和键合特征 [9]。

为克服这些局限性，颗粒增强和固溶强化等材料强化策略通常被采用 [10], [11]。虽然颗粒强化可以取得一定效果，但控制增强相的分布和界面存在重大挑战 [12]。相比之下，固溶强化通过原子级别的主晶格元素替代，为增强材料性能提供了更均匀且可控的途径 [13]。这种方法在其他层状三元碳化物（如MAX相，其中M为早期过渡金属，A为A族元素，X为C或N）中得到了成功验证。M、A或X位点的元素替代不仅促进了高纯度相的合成，还有效地调节了其物理、化学和力学性能 [14], [15]。

尽管取得了这些进展，Al₄SiC₄中通过固溶体形成进行性能调控的潜力仍然在很大程度上未被探索。对不同溶质元素对其性能影响的调查至关重要。氮作为Al₄SiC₄中形成固溶体的首选候选元素具有明显优势。鉴于氮和碳具有相似的化学键合特征和原子半径，形成广泛的碳氮化物固溶体在热力学上是可行的 [16]。这一策略不仅对于理解化学与物理性能之间的基本关系至关重要，还为精确调控这些化合物的性能提供了一条途径。

为扩展层状三元碳化物的成分可调性，本研究选择氮作为溶质元素，并研究了Al₄SiC_4–xN_x固溶体的形成。据我们所知，这是Al–SiC–C–AlN体系中Al₄SiC_4–xN_x固溶体的首次报道；通过结合DFT计算与实验表征，研究了相组成、微观结构和晶体学变化，并对烧结样品进行了力学性能评估。

章节摘要

通过无压烧结合成Al₄SiC_4–xN_x粉末

实验采用的原料包括：Al粉末（粒径≤74 μm，纯度≥98.0 wt%）、SiC粉末（粒径≤0.5 μm，纯度≥99.0 wt%）、石墨粉末（粒径≤2.7 μm，纯度≥99.95 wt%）和AlN粉末（粒径≤2.0 μm，纯度≥99.5 wt%）。起始粉末按照表1中指定的摩尔比进行称量，并额外添加过量的铝以补偿高温加工过程中的挥发损失。粉末混合物在玛瑙罐中进行了球磨处理。

相组成

图2a,b展示了不同AlN化学计量比（y_AlN = 0–0.5）试样在1700 °C热处理5 h后的XRD图谱。未添加AlN的试样AS0经热处理后被鉴定为Al₄SiC₄相。添加AlN后（y_AlN = 0.1），试样AS1显示出与Al₄SiC_4–xN_x相相对应的衍射峰。进一步增加AlN含量（y_AlN = 0.2和0.3）时，试样AS2和AS3与AS1相比未发生相变。当

结论

本研究首次通过无压烧结成功合成了Al₄SiC_4–xN_x固溶体，并通过理论计算与实验相结合的方法研究了氮溶解度对相组成、微观结构和晶体学的影响。主要发现总结如下：

• (1)
  在Al–SiC–C–AlN体系中可有效合成Al₄SiC_4–xN_x固溶体，氮替代量的增加促进了连续固溶的

CRediT作者贡献声明

Xu Cheng：撰写——初稿、调查、数据整理。Guangchao Xing：调查、数据整理。Chengji Deng：项目管理、方法论。Yufeng Chen：形式分析、数据整理。Jun Ding：形式分析。Zhenglong Liu：数据整理。Beiyue Ma：方法论。Hongxi Zhu：方法论。Chao Yu：撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。

未引用参考文献

[17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构的资助：国家自然科学基金（U21A2057和52402034）、湖北省重点研发计划（2023BAB106）、武汉自然科学基金（2024040701010051）和湖北省科技创新团队基金（T2023001）。

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