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新型快速高精度主动学习算法的开发:以MAX相晶体的材料力学性能预测为例

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工程科学学报 2023年第11期45卷 1896-1907页

作者：李娜宗甜心王鲁宁北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 北京科技大学数理学院北京100083 北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083

近年来,MAX相晶体由于独特的纳米层状的晶体结构具有自润滑、高韧性、导电性等优点,成为全球的研究热点之一.其中M2AX相晶体兼具陶瓷和金属化合物的性能,同时具有抗热震性、高韧性、导电性和导热性,但是由于该类材料的单相样品实验制备... 详细信息

近年来,MAX相晶体由于独特的纳米层状的晶体结构具有自润滑、高韧性、导电性等优点,成为全球的研究热点之一.其中M2AX相晶体兼具陶瓷和金属化合物的性能,同时具有抗热震性、高韧性、导电性和导热性,但是由于该类材料的单相样品实验制备比较困难,从而限制了其发展.主动学习是一种利用少量标记样本可以达到较好预测性能的机器学习方法,本文将高效全局优化算法与残差主动学习回归算法相结合,提出了一种改良的主动学习选择策略RS-EGO,基于169个M2AX相晶体的数据集,对M2AX相晶体的体模量、杨氏模量与剪切模量进行建模与预测寻优,通过计算模拟的方式来探索材料性能从而减少无效的验证实验.结果发现,RS-EGO在快速寻找最优值的同时具有较好的预测能力,综合性能要优于两种原始选择策略,也更适合样本量较少的材料性能预测问题,同时选择不同的结合参数会影响改良算法的优化方向.通过在两个公开数据集上运用改良算法证明了其有效性,并给出了结合参数的选择,设计不同结合参数下的模型实验,进一步探究不同参数对模型优化方向的影响.

关键词： MAX相力学性能主动学习高效全局优化材料性能预测

HiPIMS复合热处理制备高纯Ti_(2)AlC MAX相涂层

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中国表面工程 2022年第5期35卷 236-245页

作者：周定伟李忠昌王振玉马冠水柯培玲胡晓君汪爱英浙江工业大学材料科学与工程学院杭州310000 中国科学院宁波材料技术与工程研究所宁波315201

Ti_(2)AlC MAX相涂层是一类兼具金属和陶瓷特性的具有密排六方结构的高性能陶瓷涂层,在电接触、高温防护、宽温域摩擦等领域具有广阔的应用前景。然而MAX相涂层的成相成分窗口窄,性能受杂质相影响大,实现高纯、致密Ti_(2)AlC MAX相涂层... 详细信息

Ti_(2)AlC MAX相涂层是一类兼具金属和陶瓷特性的具有密排六方结构的高性能陶瓷涂层,在电接触、高温防护、宽温域摩擦等领域具有广阔的应用前景。然而MAX相涂层的成相成分窗口窄,性能受杂质相影响大,实现高纯、致密Ti_(2)AlC MAX相涂层的制备目前仍存在挑战。考虑沉积气压与溅射等离子体能量密切相关,采用高功率脉冲复合直流磁控溅射技术在钛合金基体上制备了TiAl/Ti-Al-C涂层,经后续热处理退火得到高纯Ti_(2)AlC MAX相涂层,重点研究不同沉积气压对涂层退火前后的成分、微观结构以及力学性能的影响和作用机制。结果表明,随着气压不断增大,沉积态涂层厚度先增加后减少。其中低沉积气压下沉积态涂层退火后,结构中除了Ti_(2)AlC MAX相外,还含有一定量杂质相;而在高气压下沉积态涂层退火后几乎全部转变为Ti_(2)AlC MAX相,呈现高纯、表面光滑致密的MAX相涂层特征。相较于沉积态涂层,退火后的涂层硬度变化不大,但由于生成了Ti_(2)AlC MAX相,涂层弹性模量有所提高。

关键词：高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS) MAX相 Ti_(2)AlC 热处理力学性能

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高韧性三元层状陶瓷:从MAX相到MAB相

材料工程 2021年第5期49卷 1-23页

作者：柏跃磊尹航宋广平赫晓东齐欣欣高进郝兵兵张金泽哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国防科技重点实验室/复合材料与结构研究所哈尔滨150080 深圳烯创先进材料研究院有限公司广东深圳518000

三元层状化合物MAX相和新近引起人们注意的MAB相以其兼具陶瓷和金属的共同特性成为结构陶瓷领域20余年的研究热点,而高损伤容限和高断裂韧度是其区别于传统陶瓷的本质特征。本文简要回顾了MAX相的整体发展脉络和MAB相的最新研究进展,重... 详细信息

三元层状化合物MAX相和新近引起人们注意的MAB相以其兼具陶瓷和金属的共同特性成为结构陶瓷领域20余年的研究热点,而高损伤容限和高断裂韧度是其区别于传统陶瓷的本质特征。本文简要回顾了MAX相的整体发展脉络和MAB相的最新研究进展,重点分析了纳米层状结构对宏观力学行为的影响及其内在机制。基于第一性原理计算结果建立的键刚度模型在实现对化学键强度的定量表征基础上,更重要的是阐明了"足够"弱的层间结合是三元层状陶瓷表现出非凡力学性能的根本原因。而Fe_(2)AlB_(2)在室温附近所出现的磁热效应(MCE)则显示了MAB相化合物在功能领域的良好应用前景。经过20余年的持续研究,MAX相化合物的结构和性能逐渐变得清晰,目前针对具体场景的应用研究在世界各地蓬勃开展起来。然而,目前对MAB相化合物的认识还很有限。因此,合成和表征现有已知MAB相化合物的结构、力学性能、物理性能以及基于应用背景的使役行为是现阶段的重要任务。其中,基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理数值模拟可扮演重要角色,正如其在理解MAX相化合物的非凡性能和发现新型化合物时所起的重要作用一样。

关键词： MAX相 MAB相层状结构损伤容限键刚度模型磁制冷 Fe_(2)AlB_(2)

熔盐法合成纳米层状Sc_(2)SnC MAX相

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无机材料学报 2021年第7期36卷 773-778页

作者：李友兵秦彦卿陈科陈露张霄丁浩明李勉张一鸣都时禹柴之芳黄庆中国科学院宁波材料技术与工程研究所新能源技术研究所宁波315201 中国科学院宁波材料技术与工程研究所杭州湾研究院宁波315201

MAX相是一类兼具金属和陶瓷特性的三元层状材料,也是合成二维MXenes的前驱体材料。理论预测稳定的三元层状MAX相材料约有600余种,目前实验合成的三元层状MAX相材料已有80余种,但M位主要为前过渡族金属,而对M为稀土元素的三元MAX相鲜有... 详细信息

MAX相是一类兼具金属和陶瓷特性的三元层状材料,也是合成二维MXenes的前驱体材料。理论预测稳定的三元层状MAX相材料约有600余种,目前实验合成的三元层状MAX相材料已有80余种,但M位主要为前过渡族金属,而对M为稀土元素的三元MAX相鲜有报道。本研究以Sc、Sn,和C元素粉为原料,通过熔盐法合成了M位为稀土元素Sc的全新Sc_(2)SnC MAX相材料。结合X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱等分析手段,确认Sc_(2)SnC max的相组成和微观结构。并通过密度泛函理论计算了Sc_(2)SnC MAX相的结构稳定性、晶格参数、力学和电子性质,理论计算结果表明Sc_(2)SnC热力学稳定,Sc-3d电子在费米能级上占主导地位,MAX相呈金属性质。

关键词： MAX相纳米层状钪密度泛函理论计算

YSZ热障涂层表面MAX相Ti_(2)AlC防护层的料浆法制备

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中国表面工程 2021年第1期34卷 16-24页

作者：郭磊李博文冯佳燚天津大学材料科学与工程学院天津300072 天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室天津300072 天津大学天津市现代连接技术重点实验室天津300072

MAX相Ti_(2)AlC是一种很有潜力的热障涂层抗环境沉积物(CMAS)腐蚀防护层材料。采用料浆法在YSZ(Y_(2)O_(3)部分稳定ZrO_(2))热障涂层表面制备Ti_(2)AlC防护层,研究粘结剂种类、粘结剂含量、涂覆方式、保温时间和烧结温度对涂层结合质量... 详细信息

MAX相Ti_(2)AlC是一种很有潜力的热障涂层抗环境沉积物(CMAS)腐蚀防护层材料。采用料浆法在YSZ(Y_(2)O_(3)部分稳定ZrO_(2))热障涂层表面制备Ti_(2)AlC防护层,研究粘结剂种类、粘结剂含量、涂覆方式、保温时间和烧结温度对涂层结合质量的影响。结果表明,与硅酸钠相比,乙基纤维素作为粘结剂更合适,当粘结剂含量为7%左右时,Ti_(2)AlC涂层表面完整,无明显缺陷;与刷涂方法相比,采用浸渍的涂覆方式得到的涂层致密性良好,界面处无明显缝隙;最佳的烧结温度和保温时间为1250℃,10 h。最终采用优化出的参数在YSZ热障涂层表面制备出了厚度~100μm的Ti_(2)AlC防护层,其与YSZ涂层之间的界面完整,结合良好,为MAX相Ti_(2)AlC用于CMAS防护层提供了指导。

关键词： MAX相 Ti_(2)AlC 热障涂层 CMAS 料浆法

钛精矿碳热硫化制备含硫MAX相Ti_(2)SC

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过程工程学报 2023年第10期23卷 1458-1468页

作者：张振乾庞昇丛良伟许有芃李来时吴玉胜王志沈阳工业大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110870 中国科学院过程工程研究所战略金属资源绿色循环利用国家工程研究中心中国科学院绿色过程与工程重点实验室北京100190

含硫MAX相Ti_(2)SC被认为是很有潜力的高温结构材料及熔盐电解提钛前驱体。但现有制备方法均涉及高值Ti粉、TiC粉及TiS粉的使用,难以实现其规模化应用。本工作以钛精矿为钛源,黄铁矿为硫源,石墨球形尾料为碳源,探索了碳热硫化钛精矿低... 详细信息

含硫MAX相Ti_(2)SC被认为是很有潜力的高温结构材料及熔盐电解提钛前驱体。但现有制备方法均涉及高值Ti粉、TiC粉及TiS粉的使用,难以实现其规模化应用。本工作以钛精矿为钛源,黄铁矿为硫源,石墨球形尾料为碳源,探索了碳热硫化钛精矿低成本制备高纯Ti_(2)SC的可行性。研究了FeTiO_(3)/FeS_(2)/C体系中Ti_(2)SC的形成机理;石墨添加量、烧结温度与烧结时间对产物纯度与形貌的影响规律;高温原位物理分离副产物Fe对提纯过程酸用量减少的实际占比。结果表明,Ti_(2)SC生成的关键反应是FeTiO_(3)碳热还原中间产物Ti_(3)O_(5)在熔融FeS中直接脱氧重构为Ti_(2)SC;石墨添加量27.4wt%的试样经1400℃下烧结4 h及后续酸洗处理,可以得到纯度大于96wt%的Ti_(2)SC;1700℃下的高温烧结可以实现部分副产物Fe与Ti_(2)SC的分离,酸洗提纯过程酸用量减少72.7%。该方法有望实现高纯Ti_(2)SC的规模化制备。

关键词：钛精矿碳热硫化 MAX相 Ti_(2)SC 高纯度原位物理分离

VAlC MAX相涂层的宽温域摩擦学性能研究

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摩擦学学报 2023年

作者：袁锐张玉鹏王振玉汪爱英王铁钢柯培玲天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江省海洋材料与防护技术重点实验室中国科学院宁波材料技术与工程研究所中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室

MAX相涂层是一类兼具陶瓷和金属性能的层状结构材料，具有优异的抗氧化和抗腐蚀性能，同时M位元素丰富，在宽温域摩擦过程中生成具有润滑作用的M基氧化物，受到广泛关注。本文中选择可生成V基Magnéli润滑相的V2AlC体系，采用电弧复合... 详细信息

MAX相涂层是一类兼具陶瓷和金属性能的层状结构材料，具有优异的抗氧化和抗腐蚀性能，同时M位元素丰富，在宽温域摩擦过程中生成具有润滑作用的M基氧化物，受到广泛关注。本文中选择可生成V基Magnéli润滑相的V2AlC体系，采用电弧复合磁控溅射技术结合后续热处理制备高纯V2AlC MAX相涂层，并系统研究该涂层在室温～700 ℃宽温域下的摩擦磨损机理。研究发现，涂层在300和500 ℃时摩擦形式主要以黏着磨损和磨粒磨损为主。当环境温度高于600 ℃时，V的外扩散和氧化导致涂层表面生成层状V2O5润滑相，在600 ℃时形成连续的润滑膜，从而使V2AlC涂层具有最佳的摩擦学性能。同时，保留的V2AlC主相在摩擦过程中起承载作用，降低涂层的磨损率。

关键词： MAX相 V AlC涂层相演变高温摩擦氧化

四元MAX相(CrTi)AlC在高温空气以及水蒸气气氛中的氧化行为研究

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中国腐蚀与防护学报 2023年

作者：任岩张鑫涛盖欣徐敬军张伟陈勇李美栓中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心中国科学技术大学材料科学与工程学院

采用恒温氧化法研究了四元MAX相(Cr2/3Ti1/3)3AlC2在高温空气以及水蒸气气氛中的氧化行为。(Cr2/3Ti1/3)3AlC2在800-1200℃下空气中以及1000-1200℃下水蒸气中氧化后表面均形成包含Al2O3、Ti O2和Cr2O3的氧化膜，使其具有良好的抗高温... 详细信息

采用恒温氧化法研究了四元MAX相(Cr2/3Ti1/3)3AlC2在高温空气以及水蒸气气氛中的氧化行为。(Cr2/3Ti1/3)3AlC2在800-1200℃下空气中以及1000-1200℃下水蒸气中氧化后表面均形成包含Al2O3、Ti O2和Cr2O3的氧化膜，使其具有良好的抗高温氧化性能。(Cr2/3Ti1/3)3AlC2在1200℃下空气/水蒸气中氧化生成由外到内分别为富Ti层、富Cr层和富Al层的氧化膜，该氧化膜的形成与(Cr2/3Ti1/3)3AlC2中元素的选择性氧化和扩散有关。研究结果表明，(Cr2/3Ti1/3)3AlC2在高温空气/水蒸气中均表现出良好的抗氧化性能。

关键词： MAX相高温氧化核反应堆

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M位与A位双固溶MAX相的磁学性能研究

无机材料学报 2021年第12期36卷 1247-1255页

作者：张霄李友兵陈科丁浩明陈露李勉史蓉蓉柴之芳黄庆兰州大学物理科学与技术学院磁学与磁性材料教育部重点实验室光转换材料与技术国家地方联合工程实验室兰州730000 中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进能源材料工程实验室宁波315201 宁波材料所杭州湾研究院宁波315336

三元层状化合物MAX相兼具金属与陶瓷优良的力学性质,通常被认为是一类高安全结构材料。有研究显示,通过熔盐法可以将副族元素插入到MAX相A位层间,获得具有铁磁性能的V_(2)(Sn,A)C(A=Fe、Co、Ni和Mn)材料。因而,如何构建新的MAX相结构并... 详细信息

三元层状化合物MAX相兼具金属与陶瓷优良的力学性质,通常被认为是一类高安全结构材料。有研究显示,通过熔盐法可以将副族元素插入到MAX相A位层间,获得具有铁磁性能的V_(2)(Sn,A)C(A=Fe、Co、Ni和Mn)材料。因而,如何构建新的MAX相结构并实现其磁性调控备受关注。本研究通过MAX相M位和A位双固溶的方式设计了四种新型MAX相(V,Nb)_(2)(Sn,A)C(A=Fe、Co、Ni和Mn)。XRD、SEM、EDS结合TEM分析证实了上述新相的合成。超导量子磁强计(Superconducting quantum interference device magnetometer,SQUID)测试磁学性能发现,M位固溶后的MAX相的居里温度与其四方率(c/a)、元素组成有关。(V,Nb)_(2)(Sn,Fe)C、(V,Nb)_(2)(Sn,Ni)C、(V,Nb)_(2)(Sn,Mn)C相较于M位固溶Nb元素之前的V_(2)(Sn,A)C相,其矫顽力Hc和剩余磁化强度M_(r)减小,饱和磁化强度M_(s)增大。而V_(2)(Sn,Co)C在M位固溶Nb元素之后磁性变化均与前述MAX相相反。通过以上结果,揭示了M/A位双固溶对MAX相磁性的影响规律,为调控MAX相磁性提供了新的思路。

关键词： MAX相双固溶磁性