DOI: 10.15541/jim20230123

Part1

▉?材料智能設(shè)計研發(fā)平臺及材料挖掘?▉

在結(jié)構(gòu)上，MAX 相全部屬于六方晶系，而 MAB 相部分屬于正交晶系，部分屬于六方晶系；在組成上，MAB 相中 B 原子與 M 原子的比例要高于 MAX 相中 C/N原子與 M 原子的比例。因此，MAB 相沒有延續(xù) MAX 相的名稱，應(yīng)當(dāng)注意兩者的區(qū)分。MAB 相結(jié)合了金屬和陶瓷的特性，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，為獲得具有獨特性能的高強材料提供了廣闊前景。通過第一性原理計算，MAB 相的力學(xué)性質(zhì)，如體積模量（B）、剪切模量（G）、楊氏模量（E）和泊松比（ν）等得到廣泛研究，如表3 所示[160, 164-168]。其中，TcAlB、Nb2AlB2、W2AlB2、Tc2AlB2 、 Co2AlB2 和 Ni2AlB2 為韌性材料，而Cr2AlB2、Mo2AlB2 和 W2AlB2 具有高模量、高硬度和低彈性各向異性，有利于實際工程應(yīng)用。

Part2

▉?材料基因工程與高通量材料篩選?▉

眾所周知，MAX相是一種六方過渡金屬層狀碳/氮化物，其主體元素都局限在碳或氮上，如何打破碳或氮元素的限制，將 MAX 相以及 MXenes 的主體元素擴展到硼是困擾研究者的一大難題。2019 年，王俊杰等[52]通過材料基因工程方法，成功突破了這一難題，首次理論預(yù)測并實驗合成了第一個具有六方晶系的三元過渡金屬硼化物—Ti2InB2（圖 14(a)）。他們首先采用二元變成分法確定了 TixBz的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)，然后以 TixBz和 A為起始組元，進行偽二元結(jié)構(gòu)搜索，初步得到熱力學(xué)穩(wěn)定的 Ti2InB2結(jié)構(gòu)。最后，對 Ti2InB2展開三元變成分搜索，以確保該三元硼化物的全局穩(wěn)定性。經(jīng)過一系列的計算與篩選，發(fā)現(xiàn)Ti2InB2 在常壓下具有全局穩(wěn)定性。進一步地，王俊杰等通過固相法成功合成了層狀材料 Ti2InB2，打破了六方過渡金屬層狀化物只存在于碳或氮化物這一局限。隨后，苗楠茜等[162]以已知構(gòu)型的MAX 相以及 Ti2InB2 為種子，通過高通量計算搜索，在 Zr-AB 和 Hf-A-B 體系中發(fā)現(xiàn)了一系列具有熱力學(xué)和動力學(xué)穩(wěn)定性的三元層狀過渡金屬硼化物，除了上述的“212”構(gòu)型外，還發(fā)現(xiàn)具有兩種新構(gòu)型“211”和“314”的三元硼化物也可以穩(wěn)定存在。該工作進一步提出了六方三元層狀過渡金屬硼化物的穩(wěn)定機制，即 B– B 鍵組成類石墨烯狀硼環(huán)在“212”和“314”構(gòu)型中起到穩(wěn)定作用；而“211”構(gòu)型與 MAX 相的結(jié)構(gòu)類似，其 MB6 八面體是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定單元。（圖 14(b)）此外，孫維威等[183]將密度泛函理論與進化算法相結(jié)合，在 P，S體系中預(yù)測出兼具動力學(xué)與熱力學(xué)穩(wěn)定性的Nb2PB2，Nb2PB 和 Nb2SB（圖 14(c)）。這些三元層狀陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的熱導(dǎo)性能，其中 Nb2PB2的熱導(dǎo)率高達-65 W·m-1·K-1?？偟膩碚f，從元素化學(xué)組成上來看，除了“211”構(gòu)型符合傳統(tǒng)的 Mn+1AXn表達式，“212”和“314”構(gòu)型更符合正交 MAB 相（orthorhombic MAB phase， 簡稱 ort-MAB）的元素比例。為了更好地描述這類兼具六方結(jié)構(gòu)和 M-A-B 元素組成的三元硼化物，將其命名為六方 MAB 相（hexagonal?MAB phase，簡稱為 h-MAB 相）。

Part3

▉?結(jié)構(gòu)映射與材料穩(wěn)定性判據(jù)?▉

現(xiàn)如今，材料結(jié)構(gòu)主要通過三類策略進行確定：1）實驗表征，該方法始于馮·勞厄[190]及布拉格等的早期工作，至今仍為確定材料結(jié)構(gòu)的核心策略；然而，即便引入了高通量與自動化的手段，該方法依然具有耗時與測試昂貴等不足。2）計算建模，隨著高速計算機的發(fā)展，以及將多體相互作用進行簡化的單電子勢計算方法的發(fā)明，使通過量子力學(xué)原理來計算和預(yù)測材料結(jié)構(gòu)成為可能。然而，該策略目前依然存在著一些困難，具體包括：i）正如Chelikowsky所提到，雖然人們對化合物中存在的原子間相互作用已經(jīng)有了充分認(rèn)識，但是對固體整體能量的計算依然非常困難。這是因為單原子的能級處于 10 6 eV 級別，而結(jié)合能僅處于1~10eV/atom 的范圍內(nèi)，由此人們必須具有 0.000001 或更高的計算精度才能對此作出精確的估算。ii）固體中原子、離子和電子的數(shù)目極大，加劇了此類計算的難度，從而使該方法在預(yù)測精度上低于實驗觀測。3）結(jié)構(gòu)映射，該策略基于已有的材料結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，結(jié)合化學(xué)組元的相關(guān)參數(shù)，對新組分的可能結(jié)構(gòu)進行歸類與預(yù)測，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出形成特定結(jié)構(gòu)的一些規(guī)律和模式。該方法按照坐標(biāo)所標(biāo)定的物理參數(shù)對結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行分類，將數(shù)據(jù)庫中的大量結(jié)構(gòu)按照映射圖中的不同區(qū)域進行劃分，并以此預(yù)測新組分的可能結(jié)構(gòu)類型，提供尋找所需材料結(jié)構(gòu)的初始導(dǎo)向。從材料信息學(xué)的觀點來看，結(jié)構(gòu)映射則是一種對晶體結(jié)構(gòu)進行聚類分析的方法。結(jié)構(gòu)映射的種類包括：Mooser-Pearson 映射、Zunger 映射、Villars 映射以及較為著名的Pettifor 映射。