1、研究背景：

随着现代科学技术的迅速发展，人类对材料性能的要求越来越苛刻，单一材料往往很难满足人类的使用要求。MAX相中同时拥有金属键和共价键，因此其兼备金属和陶瓷的优点。MAX相材料可加工性优良、导热性和导电性好、抗热冲击稳定性高、质轻、杨氏模量高且抗氧化性优异。这使得MAX相在冶金、航空航天、机械等领域广泛应用。

MAX相是一类由过渡金属元素、主族元素和碳或氮组成的层状三元化合物。其中，Ti₃AlC₂是目前发现最轻的312系MAX相，其密度为4.25 g/cm³。同时Ti₃AlC₂也具备优异的抗氧化性能。然而，Ti₃AlC₂在Ti-Al-C相图中相域较窄，并且其合成原料Al容易蒸发损失。因此Ti₃AlC₂的合成过程中会不可避免地形成TiC、Ti₂AlC或Ti_xAl_y金属间化合物等杂质，从而影响Ti₃AlC₂的高温性能。为提升Ti₃AlC₂的纯度，研究者尝试向Ti-Al-C体系中引入Si、Sn和B₂O₃等添加剂。其中，引入Sn替代Al可以有效地解决上述问题从而合成高纯的Ti₃AlC₂。另外，Sn的掺入可以提高Ti₃AlC₂的抗弯强度，降低Ti₃AlC₂的合成温度。然而Ti₃AlC₂的抗氧化性很大程度上取决于Al含量。在相同温度下，20 mol% Sn掺杂Ti₃AlC₂的氧化抛物线速率常数比纯Ti₃AlC₂高2~4个数量级。因此，确定合适的Sn掺杂浓度范围对获取较高纯度的Ti₃AlC₂同时保持较好的抗氧化性至关重要。

近期，北京科技大学绿色冶金团队采用模拟和实验相结合的手段从实验和理论角度系统研究了Sn掺杂浓度对Ti₃AlC₂氧化行为的影响，相关结论“Effect of Sn doping concentration on the oxidation of Al-containing MAX phase (Ti₃AlC₂) combining simulation with experiment”发表在国家自然科学基金委员会主管、主办的Fundamental Research期刊，据介绍，Fundamental Research是一本综合性英文学术期刊，包含八个学科分支。该期刊定位和目标是Nature、Science、CELL、PNAS。研究通过第一性原理和分子动力学方法，揭示了氧化过程中Ti₃AlC₂/O₂界面反应的本质。同时，根据理论计算结果，当Sn掺杂浓度超过10 mol%时，氧化产物中SnO_2­抑制了具有保护性连续Al₂O₃层的形成，从而降低了Ti₃AlC₂的抗氧化性能。热重氧化实验结合材料物相形貌衍变验证了理论模拟结果。由此提出不同浓度Sn掺杂的Ti₃AlC₂氧化机理（图1）。该工作为设计具有高抗氧化性能MAX相材料提供了理论依据和数据参考。

2、图文导读：

图1 Ti₃AlC₂(100)表面每步氧化结构

图2 不同Sn掺杂浓度Ti₃AlC₂ 50 ps, 1273 K下氧化后的构造。

图3 Ti₃AlC₂ and Ti₃Al_0.8Sn_0.2C₂ 颗粒在不同温度下氧化的10 h 的结构。 (a, b, c) Ti₃AlC₂ 颗粒在500 ℃下氧化; (d, e, f) Ti₃AlC₂ 颗粒在700 ℃下氧化; (g, h, i) Ti₃Al_0.8Sn_0.2C₂ 颗粒在500 ℃下氧化; (j, k, l) Ti₃Al_0.8Sn_0.2C₂ 颗粒在700 ℃下氧化。

图4 不同Sn掺杂浓度下Ti3AlC2的氧化机理图。

北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心“绿色冶金”团队基于冶金物理化学理论基础，突破传统冶金、化工、能源、环境和材料等各学科割裂的局限，探究新型材料对钢铁、能源和环境领域的促进作用。梯队的主要研究方向包括：（1）界面反应动力学；（2）高温溶体界润特性研究；（3）新型高温陶瓷材料的开发；（4）冶金过程废水、废液、烟气和固废治理和综合利用；（5）新型光电、力电功能材料的开发与器件构筑等；（6）基于电化学冶金的功能材料多结构调控。目前有教授3人(含国家杰青1人)，副研究员1人，助理研究员1人。团队承担国家及省部级项目20余项，发表SCI论文200余篇，申请专利30余项，获得包括省部级奖项10余项。