DOI: 10.15541/jim20230123

Part1

▉?MAX?增強金屬基復合材料?▉

MAX 相陶瓷材料由于 M 與 X 之間的弱鍵與石墨層狀結構間的范德華力結合相似，因此具有可類比于石墨的自潤滑性。其獨特的納米層狀結構，使得垂直于 c 軸的層與層之間在剪切力的作用下容易發(fā)生滑動，并發(fā)生類似金屬的彎折帶塑形變形。針對此現(xiàn)象，Barsoum等提出了 MAX 材料的扭折非線彈性變形機制，類似于 ZnO、GaN、LiNbO、云母等化合物以及 Zn、Mg、Ti、Co 等密排六方結構金屬的微塑變形機制（Incipent kink bands），并把此類晶格常數(shù) c/a 大于 1.5 的六方結構材料歸于扭折非線彈性體（kinking?non-linear?elastic, KNE, solids）。這些優(yōu)異特性使得 MAX 相成為極具潛力的增強相并在金屬基復合材料中得到廣泛的應用。

目前，低壓電路中“萬能觸頭材料”CdO 因環(huán)保問題應用受到限制。MAX作為三元導電陶瓷的一種，具有非常優(yōu)異的裂紋自愈合能力。作為 CdO 的最佳替代材料，MAX相材料在真空開關、繼電器、接觸器等電接觸材料領域也具有非常大的應用價值。孫正明等通過 SPS 工藝制備了一系列MAX/Ag 基電觸頭復合材料，結果表明，Ag 與Ti3AlC2 之間具有非常良好的潤濕性，在電弧侵蝕過程中伴隨著電弧的不斷沖擊，導致液態(tài)Ag不斷噴濺、高溫蒸發(fā)以及氣化，良好的界面潤濕性使得在噴濺過程中 Ti3AlC2增強了熔池內(nèi)的黏度，限制了 Ag 的進一步噴濺剝離，從而減小了材料的質(zhì)量損失。10%Ti3AlC2/Ag(體積分數(shù))電觸頭復合材料的性能可與商用的 Ag/CdO 復合材料相媲美。

MAX相材料憑借其獨特的三元層狀納米結構和優(yōu)異的高溫力學性能、自潤滑、導電導熱性等性能及其與金屬良好的界面潤濕性，作為金屬基體增強相用于提高復合材料的高溫強度、耐磨耐腐蝕、自潤滑等特性，具有廣泛的應用前景。此外，以MAX誘導原位生長非化學計量比的二元碳化物或氮化物增強的金屬基復合材料，也進一步拓寬了金屬基復合材料的范疇。當然 MAX/金屬基復合材料作為一種新型的復合材料，距離大規(guī)模應用還有較長的路要走。后期需不斷增加 MAX/金屬基復合材料的種類，探索新的制備方法，降低 MAX/金屬基復合材料成本，提高 MAX/金屬基復合材料的產(chǎn)品質(zhì)量，促使 MAX/金屬基復合材料更多地應用于航空航天、軌道交通、汽車工業(yè)、高端機械裝備等相關領域。

Part2

▉?MAX?相原位生長晶須材料?▉

得益于 MAX 相樣品中 A 位晶須具有極快的生長速度，劉玉爽等通過 SEM 實時觀察球磨處理后的 Ti2SnC 樣品中 Sn 晶須的自發(fā)生長，發(fā)現(xiàn)晶須的形貌與其生長時的氣氛密切相關，如圖所示。在空氣中生長時，無論是室溫附近還是在較高溫度（210 ℃）下，Sn 晶須表面都具有縱向條紋，并且可觀察到晶須由根部生長，這些特征與 Sn基鍍層、焊料以及金屬間化合物等基體表面發(fā)現(xiàn)的Sn 晶須非常一致；在真空中生長時，Ti2SnC 樣品中 Sn 晶須則演變?yōu)橐?guī)則的棱柱狀形貌。表面形貌的演變與其表面能及氧化膜的存在與否有關。Sn等金屬晶須在空氣中極易形成氧化膜，限制晶須表面重構，從而保留晶須由基體長出時的截面輪廓。但是，在真空中生長的 Sn 晶須表面沒有氧化膜，因此其長出基體之后，在表面能最小化的驅(qū)動下表面重構，從而形成了規(guī)則的棱柱形貌。這一實驗現(xiàn)象也符合第一性原理計算結果。

總之，作為金屬晶須生長研究的新平臺材料，MAX 相對充分理解危害電子工業(yè)的 Sn 晶須的生長機制均有重要意義。MAX 相中 A 位金屬晶須生長的新特點為相關研究工作提供了突破口，目前已在晶須形貌演變之謎、晶須生長的原子來源及其驅(qū)動力等這一現(xiàn)象的關鍵環(huán)節(jié)取得了進展。同時，MAX 相中金屬晶須的快速、大量生長現(xiàn)象及其成分的多樣性預示著一種新的一維金屬制備技術。

Part3

▉?MAX/MAB?相電磁防護材料?▉

隨著全球5G網(wǎng)絡的部署和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，隨之產(chǎn)生的電磁輻射污染日益嚴重，電子設備和人體的電磁防護受到廣泛重視。面對無線通信器件趨向微型化和工作頻率呈現(xiàn)多樣性的趨勢，對電磁防護材料提出了更高的要求，如耐高溫、輕質(zhì)、寬頻等。通常電磁防護材料分為電磁屏蔽材料和微波吸收材料兩類，其中電磁屏蔽材料通過反射或吸收入射電磁波來實現(xiàn)電磁防護，而微波吸收材料主要依靠電磁波在材料內(nèi)的衰減。

和 MAX/MAB 相相比，近年來，MAX 相的衍生材料 MXene 在電磁防護領域受到更多的關注。這得益于 MXene 的活性表面和二維結構，并且繼承了 MAX 相的金屬電導特性。2016 年，Gogotsi 等首次報道了 Ti3C2Tx 薄膜厚度為 45 μm 時，其電磁屏蔽效可達 92 dB。同年，韓美康等報道了對Ti3C2Tx 進行表面改性后可以獲得良好的微波吸收性能。自此之后，開啟了 MXene 的電磁防護研究，國內(nèi)外針對 MXene 的電磁屏蔽和微波吸收特性的優(yōu)化開展了大量研究。在此，本文對 MXene 基電磁防護材料不做詳細總結討論，僅聚焦于 MAX相對MXene 電磁防護特性的影響。

綜上所述，MAX/MAB 相及其衍生材料 MXene在電磁防護領域均有良好的應用前景。MAX/MAB相可應用于極端環(huán)境下的電磁防護，并且可以作為增強相應用于陶瓷或復合材料基體，實現(xiàn)結構功能一體化的電磁防護。MXene 在實現(xiàn)輕質(zhì)、超薄、柔性的電磁防護涂層和薄膜上優(yōu)勢明顯，但是目前研究主體單一，尚未對不同類型的 MXene 進行系統(tǒng)研究。另外，考慮到磁損耗對電磁防護能力的重要性，開發(fā)具有本征磁性的 MXene 可進一步提升其微波吸收能力。因此，對 MAX/MAB 相的磁性、介電及電子特性開展系統(tǒng)研究對電磁防護以及電磁響應機理的理解至關重要。高熵及磁性 MAX/MAB 相的開發(fā)有望實現(xiàn)電磁防護調(diào)控的新突破。

Part4

▉?MAX?相核用耐輻照材料?▉

Mn+1AXn 相兼具陶瓷和金屬的性質(zhì)，包括高電導率和導熱率，出色的抗化學腐蝕和氧化性能，易加工性，低密度，高彈性剛度和優(yōu)異的抗損傷性、抗輻照能力等。因此，該材料有望應用于需要長期暴露在高溫和極端輻射條件的核反應堆中，如作為事故容錯核燃料（ATF）包殼上的涂層材料。在反應堆中，材料通常處于高溫、化學反應等極端環(huán)境中，并經(jīng)受強烈的輻射，而輻照（材料被高能粒子轟擊）將產(chǎn)生大量缺陷，并使材料發(fā)生相變或非晶化致使結構改變，造成材料性能的退化。因此研究MAX相對中子和離子輻照的響應及其機理至關重要。

Part5

▉?輻照環(huán)境下缺陷產(chǎn)生和微觀結構轉(zhuǎn)變?▉

在核能材料系統(tǒng)，載能粒子撞擊晶格原子會造成移位級聯(lián)，形成大量空位和間隙原子，這些缺陷通過積累和演化形成的擴展缺陷（包括位錯環(huán)、堆垛層錯、空洞）會產(chǎn)生諸如輻照誘導的硬化、溶質(zhì)偏析、輻照蠕變、空洞腫脹和氦脆等過程，使材料性能退化。而且，這些缺陷的累積會引起陶瓷材料發(fā)生相變或非晶化致使結構改變。材料結構決定了其性能，而材料輻照后的結構變化則決定了其能否應用于核能環(huán)境。

Part6

▉?輻照損傷的溫度效應?▉

先進核能系統(tǒng)通常處于數(shù)百攝氏度的高溫環(huán)境，研究 MAX 相高溫條件下的輻照響應特性對于其應用于先進核能系統(tǒng)非常必要。一般來說，在輻照期間或之后（熱處理）升溫，原子遷移勢壘相對于室溫下會降低，原子和缺陷的移動會更快，因此由輻照引起的缺陷更容易相互復合湮滅，并且輻照損傷會部分恢復。

Part7

▉?MAX?相的第二相彌散強化?▉

Tunes 等首次發(fā)現(xiàn)了 MAX 相中的第二相彌散強化現(xiàn)象，而且該第二相是一種非常奇特的納米非晶相。STEM/EDX 的表征結果顯示該納米非晶區(qū)化學成分與基體相同，并且實驗發(fā)現(xiàn)這種特殊的雙相復合 Cr2AlC 薄膜 MAX 相在 623 K，輻照劑量達到40 dpa 下仍然保持晶態(tài)結構，未發(fā)生明顯非晶化。Tunes 通過 STEM/EDX 觀察到的輻照引起的元素偏析現(xiàn)象，驗證了由于彌散納米非晶區(qū)產(chǎn)生的高密度納米晶界可作為缺陷陷阱起到吸收缺陷的作用，從而增強 MAX 相的抗輻照損傷能力。該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為尋找和研發(fā)更高抗輻照性能的 MAX相提供了新的思路。

Part8

▉?髙熵?MAX?相的輻照相變及非晶化?▉

近年來高熵材料以其優(yōu)異性能而備受關注，比如，高熵合金比傳統(tǒng)合金表現(xiàn)出更好的輻射耐受性。通常可以通過調(diào)控高熵合金的化學復雜性，控制耗散過程和缺陷行為得到更優(yōu)異的抗輻照損傷性能。最近，高熵陶瓷（HECs）和高熵MAX（HE-MAX）相也被成功合成。然而，高熵陶瓷和高熵合金之間又有許多不同之處，如在陽離子或陰離子亞晶格存在有序排布并且晶格結構更加多樣性，另外能帶結構和化學鍵也存在多樣性。因此化學復雜性在高熵MAX相輻照效應中發(fā)揮的作用和相關機理非常值得探究。

Part9

▉?MAX?相作為高放射核廢料固化基材?▉

最近科研人員成功合成了一種新型的包含稀土元素的面內(nèi)有序 MAX 相，稱為 RE-i-MAX相，其一般化學式為(M2/3RE1/3)2AC (RE = Nd，Sm，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Lu)。因此，針對于 UC和 UN等新型核燃料，可以將其乏燃料中產(chǎn)生的放射性核素納入 MAX 相中，最終實現(xiàn)新型核燃料或高放核廢料固化。該想法源于復雜氧化物（例如具有燒綠石結構的 A2B2O7）用于核廢料處理的經(jīng)驗。設計用于固化核廢料的材料的一個關鍵因素是 MAX相對輻照損傷的敏感性。然而，實驗和計算結果均表明，某些復雜氧化物在輻照下容易變成非晶態(tài)，而迄今為止研究的大多數(shù) MAX 相均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照非晶化的能力。因此，RE-iMAX相作為固化和處置核廢料的候選材料值得進一步研究。

Part10

▉?展望?▉

近年來，在全球科研人員的共同努力下，MAX/MAB 相的研究出現(xiàn)了若干新亮點，尤其在事故容錯核材料、高溫結構材料和高溫導電材料等領域引起了廣泛關注。因此，調(diào)控MAX/MAB 相的元素組成和結構形態(tài)將為材料的性能優(yōu)化和實際應用拓展廣闊的設計空間。雖然該類材料已經(jīng)在實驗研究以及應用研究方面取得了長足的進展，但還有很多基礎性材料問題需要更深入的研究探索。

1) 傳統(tǒng)的制備方法難以克服熱力學勢壘和避免競爭相的生成，有必要繼續(xù)探索普適的MAX/MAB 相合成方法，進一步豐富結構及成分多樣性，加快推進 MAX 相在結構和功能兩方面的應用研究。

2) MAX相可以作為結構模板合成二維過渡金屬硫?qū)倩衔?，并通過“化學剪刀”法實現(xiàn)MAX 相和MXene 材料的相互結構轉(zhuǎn)化，未來需要進一步在原子尺度上深入理解拓撲結構轉(zhuǎn)變過程的動力學過程和精準調(diào)控原理，這將為新材料研究提供全新的思路。

3) MAX相在 A 位可置入含有豐富 d電子的副族元素，副族元素較主族元素具有更多的物理化學功能特性，如磁性、催化、儲氫等，不僅可以改變層間非范德華力的作用，而且為調(diào)諧本征物理性質(zhì)提供了新機遇。

4) MAX 相的 X 位元素決定了[M6X]八面體單元共價鍵強弱，將與碳元素和氮元素具有完全不同電負性的硫?qū)僭睾团鹪匾?X 位，一方面擴充了MAX相家族，另一方面有望發(fā)現(xiàn)具有新穎物理化學性質(zhì)的新材料。另外，硫?qū)?MAX 相是否存在帶隙可調(diào)的半導體物理性質(zhì)也將是非常有意思的課題。

5) MAX相在路易斯酸熔鹽中的選擇性腐蝕行為為衍生 MXene 表面端基調(diào)控提供了有效手段。為了進一步簡化 MXene 的合成難度，有必要弱化 MAX 相M?A 層間作用力以及提高 A 元素的反應活性，從而有望在無氟、低溫、綠色化學溶劑中合成出高質(zhì)量MXene 材料。

6) 相較于刻蝕 MAX相制備 MXene，刻蝕 MAB相制備對應的二維衍生材料 MBene 還處于初始探索階段。由于 MAB 相在刻蝕過程中容易發(fā)生相轉(zhuǎn)變和結構分解，難以獲得穩(wěn)定的 MBene，必須探索出有效的刻蝕方法，加快 MBene 材料的性能研究。

7) MAX相層狀結構與特殊的價鍵組合使其成為研究 A 位金屬晶須生長的理想平臺。深入研究 A 位金屬晶須的形核與長大機制，將為深入理解困擾電子器件已久的錫晶須生長提供了新契機，同時也提供了一維金屬材料開發(fā)的新策略。

8) 在電磁防護領域，MAX/MAB 相在不同溫度和不同電磁波段的介電、磁性、電子傳輸性質(zhì)仍需開展進一步系統(tǒng)研究，極端環(huán)境下的電磁屏蔽和吸收機制仍不清晰，MXene 的電磁防護還有很大設計空間。另外，目前研究的防護波段集中在微波波段，低頻電磁防護（<1 GHz）應用需求較大，值得重點關注。

9) MAX 相材料作為反應堆中潛在的候選材料，必需在反應堆組件運行的特定高溫條件下進行進一步評估。不同組成和原子結構的 MAX 相材料為核能材料選型提供更廣闊的的空間，但需要更系統(tǒng)地面向應用的中子和離子輻照損傷評價。

10) 理論計算方面目前主要集中在初始六方相平衡時的行為和性質(zhì)，而關于 MAX 相輻照出現(xiàn)的諸如γ相和 fcc 固溶新相的認知尤其匱乏，需要引起更多關注；一些新型的亞穩(wěn)型MAX 相材料（如 A 位為過渡族元素的 MAX 相）仍需開展大量的理論探索工作。另外，高熵 MAX 相中的化學復雜性在輻照下對缺陷行為的影響及其機理還需要做更深入的探究。

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綜上所述，MAX 相及 MAB 相目前還處于興趣驅(qū)動的前沿研究階段，隨著新結構和新組分不斷被發(fā)現(xiàn)，新的合成手段越來越成熟，這一層狀材料大家族的物理和化學性質(zhì)將被世人越來越熟悉。我國對于戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的需求越來越急迫，其中具有戰(zhàn)略應用價值的新材料將對核心產(chǎn)業(yè)和技術發(fā)展提供有力支撐作用，以目標導向的應用研究也將愈來愈多。MAX 相/MAB 相及其衍生二維材料在某些應用領域，如太赫茲頻段電磁吸波、能源存儲等，已經(jīng)嶄露頭角。相信在不久的將來，該類材料將會在高科技產(chǎn)品和民用裝備上得到更加廣泛的應用。