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MAX相材料:具有金属的导电和导热性能

作者:排列5 发布时间:2020-10-20 04:17 点击数:

  MAX相材料是由三种元素组成的天然层状碳氮化物无机非金属类材料, 其具有金属的导电和导热性能, 也具备结构陶瓷的高强度、耐高温、耐腐蚀等苛刻环境服役能力。MAX相材料在高温润滑、耐涂层、事故容错核材料、自修复复合材料和能源材料等领域获得了广泛的关注, 国内外材料学家正积极开展大量的探索研究。我国在MAX相结构材料和MXene能源材料领域均取得了显著的成绩, 随着技术的发展和多学科交叉的深入探索, 目前已经有越来越多的国内材料研究团队投身此类新颖材料的研究。

  1. CMCs和MAX相复合:空天飞行器的保护伞  连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CMCs)因其优异的性能在航空发动机、空天飞行器热防护系统、核能电站等领域具有广泛的应用前景。将MAX相引入CMCs后,在强韧化与抗辐照/抗烧蚀/电磁屏蔽效能的协同提高、满足多功能一体化CMCs的应用需求方面取得了那些进展,西北工业大学范晓孟教授对此作了综述。该文介绍了MAX相作为CMCs界面相和基体相的作用, 阐述了其设计方法和作用机理, 并展望了应用前景。

  2. 含钛MXene:最小最轻最有料  作为厚度最小和最轻的含钛MXene材料, Ti2CO2具有间接半导体特性,但其电学性能能否调控、如何调控尚需深入探索。中科院上海应物所怀平研究员等,探讨了外加电场、外加应力和电荷态等条件对Ti2CO2电学性能的调控。他们发现,无缺陷Ti2CO2原胞的带隙随着外加电场的增强而变小, 在Ti2CO2体系中, 碳空位较易形成。研究还发现拉伸应力可以改变含碳空位体系的导电能力, 费米能级附近的能带随着拉伸应力的增大而逐渐平滑。

  3. 永磁材料:先来算算铁氧体的电子结构  铁氧体是一类重要的永磁材料, 其原材料丰富、制备工艺简单、成本低, 广受工业界青睐。锶铁氧体是铁氧体的一种,重量轻,但与含稀土金属的磁性材料相比, 其结构和矫顽力仍需进一步提高。中科院宁波材料技术与工程所都时禹研究员探讨了锶铁氧体及其锰掺杂体系的稳定构型及其磁结构。他们发现,锶铁氧体为亚铁磁性,通过比较GGA和GGA+U计算方法, 发现U值的选取对体系的电子结构和原子磁矩有显著影响,从而为实验制备高性能永磁材料提供了理论指导。

  4. CsPbX3纳米晶:我是发光小能手  全无机钙钛矿(CsPbX3)纳米晶因其出色的光电特性在光电子器件领域具有广泛应用, 然而稳定性依然是制约其发展的瓶颈。南京理工大学曾海波教授采用全固态反应, 通过对球磨参数以及反应物配比等多种条件的调控研究, 实现了在空气中可稳定放置60 d以上的BN/CsPbX3复合纳米晶荧光粉, 并进一步将其直接应用于白光LED照明,获得了出色、稳定的发光性能。

  5. ZrC/Cr2AlC复合材料:拥有自愈合能力的陶瓷  Cr2AlC是MAX相家族中具有代表性的三元层状碳化物,兼具金属和陶瓷的特性, 有导电、耐腐蚀、抗氧化等优异性能。但其Cr2AlC的综合性能尚待进一步提高。北京交通大学李世波课题组以ZrC作为增强相, 利用热压烧结技术制备了ZrC/Cr2AlC复合材料, 探讨了增强相含量(10vol%~20vol%)对材料力学性能的影响及其机理,为拓宽Cr2AlC材料的应用方向奠定了基础。

  6. 同步氨化/碳化法:一同步就成功的新方法  MXene是一种新型二维过渡金属碳/氮化物,电化学性能优异。作为赝电容超级电容器电极材料,其性能仍有提高的空间。中科院金属所王晓辉研究员尝试用同步氨化/碳化制备MXene平面多孔电极。作者发现,在不使用高分子粘合剂和金属集流体的情况下, 同步氨化/碳化法制备出的MXene/C平面多孔复合电极表现出更为优良的电化学性能。

  7. 核壳结构:电池设计新思路  锰基氧化物是一类非常有潜力的水系锌离子电池正极材料, 但其在充放电循环过程中面临结构坍塌而导致容量快速衰减的问题。华中科技大学胡先罗团队结合微波水热法和原子层沉积法在碳布上构筑了具有核壳结构的Mn3O4@ZnO纳米片阵列, ZnO包覆层可以有效维持Mn3O4的结构稳定性, 并且避免其与电解液直接接触而被腐蚀溶解, 从而改善材料的储锌电化学性能。这种核壳状结构的设计为发展高性能水系锌离子电池锰基氧化物正极材料提供了一种有效的思路。

  8. 石墨烯基湿度传感器:您的呼吸正常吗?来,测一下!  人们总是喜欢高性能、低成本、便携式的电子产品,但目前市场上尚没有一种此类湿度传感设备。浙江工业大学叶长辉教授利用氧化石墨烯材料自发极化后对湿度敏感的特性, 通过喷墨打印方法制备了一种可以自供能的平面型湿度传感器。制备的湿度传感器具有制作简单、成本低、不易受人体行动及外界环境干扰等优点, 适用于实时监测呼吸频率和呼吸模式。

  9. 形貌对电化学性能的影响:扁的好还是圆的好?  MXene 电荷响应速度快, 具有赝电容特征和循环性能稳定性。但因其较大的表面能, 片层之间容易堆叠,不能充分发挥其层间储能作用。陕西科技大学朱建锋教授课题组以聚多巴胺修饰的Ti3C2Tx为基体, 高锰酸钾为锰源, 采用液相共沉淀法及水热法, 制备出四种不同形貌的Ti3C2Tx@MnO2复合材料。他们发现,纳米线Tx比表面积最大、电荷转移阻抗最小且循环稳定性最优。

  10. 形貌对光学性能的影响:要好看还是要实用?  钙钛矿相SrTiO3在太阳能电池、光催化、燃料电池, 超导等领域均有广泛应用, 但这些应用均与其晶体质量、形貌、暴露晶面和光学吸收等特性息息相关。但这些因素之间如何相关还有待深入揭示。中科院金属所刘宝丹通过微弧氧化-水热两步法原位制备了两种典型形貌的SrTiO3纳米晶。发现 SrTiO3立方块和Sr1-δTiO3纳米片均为结晶质量良好的单晶体, Sr1-δTiO3纳米片相对于SrTiO3立方块, 具有明显的尺寸效应诱导的光学吸收蓝移特性。基于此,他们提出了SrTiO3的原位生长及形貌演变机制。

  原文标题:《无机材料学报》:给我一张元素周期表,还您一个MAX/MXene新世界(之三)

  原文标题:《无机材料学报》:给我一张元素周期表,还您一个MAX/MXene新世界(之三)

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