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河海大学刘璐、哈工大董顺、东南大学应国兵等：强键网络与基面解理如何“各司其职”，主导钽基中熵MAX相陶瓷的强韧与高温保持精选

已有 653 次阅读 2026-9-18 10:34 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Liu L, Zhuang Q, Xiao X, et al. Strong-bond networks and basal-cleavage resistance govern strength–toughness balance and elevated-temperature retention in Ta-based medium-entropy 211 MAX ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221368

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221368

ResearchGate：Strong-bond networks and basal-cleavage resistance govern strength–toughness balance and elevated-temperature retention in Ta-based medium-entropy 211 MAX ceramics

基金支持：

（1）特种环境复合材料技术国家级重点实验室开放基金

（2）江苏省自然科学基金青年基金(BK20230948)

（3）国家自然科学基金(52472090)

一、导读

近日，河海大学刘璐/东南大学应国兵团队联合哈尔滨工业大学董顺发表最新研究成果。含钽MAX相陶瓷耐高温、抗损伤，是极端环境结构材料的有力候选，但钽的高密度以及密度、强度、断裂韧性与高温性能保持难以同时兼顾，长期制约其应用；熵工程虽可通过在M位混入多种金属元素来调控材料成分，却未必带来强韧同步提升。研究团队以真空热压制备四种钽基中熵211MAX相陶瓷,并建立实验、第一性原理成键分析（COHP）、深度势分子动力学（DP-MD）与力学桥接模型相结合的多尺度框架，厘清M位元素组合调控强韧平衡及其高温保持的机制。

四种中熵陶瓷相比Ta₂AlC在密度下降的同时，室温弯曲强度与断裂韧性同步提升，(TaNbV)₂AlC达578 MPa与8.5 MPa·m^1/2，分别提高约50%与33%。研究进一步揭示，强度由Ta、Nb主导的强键合网络控制，断裂韧性由基面解理抗力控制，二者受不同因素支配；材料的室温性能与其在高温下的性能保持由不同因素决定，因而可作为两个相互独立的目标分别设计与优化。该研究揭示了钽基中熵MAX相陶瓷强韧平衡与高温性能保持的微观机制，为按室温性能与高温保持两个独立目标定向设计熵工程MAX陶瓷提供了依据，并表明此类材料在热结构与热防护领域具有一定的应用潜力。

图1 论文摘要图：钽基中熵211 MAX相陶瓷从成分设计、关键描述符到设计结果的多尺度框架，揭示强键合网络与基面解理抗力分别主导强度与高温断裂保持。

二、研究背景

MAX相是一类通式为M_n+1AX_n的三元层状陶瓷（M为前过渡金属，A为主族元素，X为碳或氮），其结构由以较强M–X键连接的M_n+1X_n碳/氮化物层与A原子层沿c轴交替堆垛构成，其中M–X键具有较强的共价特征，而M–A键相对较弱并具有更明显的金属性。这种独特的层状键合使MAX相同时兼具陶瓷与金属的特性：高弹性模量、优异的热稳定性与抗热震性、良好的可加工性，以及区别于传统脆性陶瓷的损伤容限。凭借这些性能,MAX相被视为航空发动机高温结构部件、高温防护涂层及核燃料包壳防护等极端环境应用的重要候选材料。然而，多数MAX相的强度与硬度偏低，且在同一材料中同时兼顾密度、强度、断裂韧性与高温性能保持存在困难，制约了其作为承载结构材料的规模化应用。

在众多MAX相中，含钽体系因较强的Ta–C键合及良好的高温力学稳定性而受到关注，如Ta₂AlC在1200 ℃以上仍能保持较高模量，并表现出较高的断裂韧性和较低的热膨胀系数，是高温结构应用的有力候选。但含钽MAX相也存在明显短板：钽原子质量大，使材料密度偏高，不利于航空航天等对轻量化敏感的场景；同时其室温力学性能与高温性能保持仍有较大提升空间。如何在降低密度的同时提升强度与韧性，并厘清高温下的性能保持规律，是含钽MAX相走向工程应用亟待解决的关键问题。

对于MAX相而言，熵工程可通过在特定晶格位点引入多种主元形成多组元固溶体，其中M位多元合金化是目前较为常见的设计策略，已有研究表明M位多元合金化可增强M–C与M–Al键合、改善损伤容限。然而，构型熵高并不等同于综合性能优：部分中/高熵MAX相在强度提升的同时，韧性未能同步改善，说明单纯增加元素种类并非可靠的设计准则。更关键的是，不同M位元素组合究竟通过何种微观机制决定强韧平衡，以及这一平衡在高温下如何保持，目前仍缺乏系统的机制层面认识，难以支撑面向具体性能目标的定向设计。

针对上述问题，本研究以钽为基础，选取Ti、Nb、V三种过渡金属，通过调控M位元素组合设计并制备了(TaNbV)₂AlC、(TaTiNb)₂AlC、(TaTiV)₂AlC与(TaTiNbV)₂AlC四种中熵211 MAX相陶瓷，结合实验表征、第一性原理成键分析、深度势分子动力学与力学桥接模型，系统研究M位元素组合对成键、强度、断裂韧性及其高温保持的影响，并揭示其微观机制，为熵工程MAX相陶瓷的定向设计提供依据。

三、文章亮点

(1)设计思路亮点：以M位元素组合而非构型熵为设计变量，建立中熵MAX相强韧性能的跨尺度分析路径。现有中/高熵MAX相研究多集中于新组分合成与构型熵提升，但增加元素种类并不必然带来强度、韧性与高温保持的同步改善。本研究以Ta为基础，在相同真空热压条件下制备(TaNbV)₂AlC、(TaTiNb)₂AlC、(TaTiV)₂AlC与(TaTiNbV)₂AlC四种中熵211 MAX相陶瓷，使不同M位组合可在统一的M₂AlC层状框架下直接比较，并结合实验表征、第一性原理COHP成键分析、深度势分子动力学与力学桥接模型，建立从元素组合到局域成键、原子尺度响应直至宏观强韧性能及其高温保持的定性至半定量跨尺度联系。

(2)性能与机理亮点：在降低密度的同时实现强度与韧性同步提升，并揭示室温性能与高温保持由不同机制主导。以较轻的Ti、Nb、V部分取代Ta后，四种中熵陶瓷密度均低于Ta₂AlC，而室温弯曲强度与断裂韧性全部高于Ta₂AlC，其中(TaNbV)₂AlC达到578 MPa与8.5 MPa·m^1/2，较Ta₂AlC分别提高约50%与33%。元素分辨的–ICOHP表明，Ta、Nb中心环境的M–C与M–Al键合强于Ti、V中心环境，由此形成的强弱键共存网络可解释弯曲强度的分组规律；断裂韧性则不能仅由平均键强判断，深度势分子动力学给出的基面分离功W_sep 能更好地反映其中的本征解理贡献。跨尺度投影进一步显示，(TaNbV)₂AlC的室温强度与韧性最优，而(TaTiNbV)₂AlC的高温性能保持更为有利，(TaTiNb)₂AlC在1250 ℃氩气中的实测结果与投影量级一致。据此形成的设计准则是：追求高绝对强韧应重点构建Ta/Nb强键网络，面向高温服役则需另行考虑基面解理抗力及其保持，二者是相互关联但不同的设计目标。

四、研究结果及结论

1. 研究团队以Ta、Ti、Nb、V、Al及石墨粉为原料，采用真空热压烧结工艺，在1500 °C、30 MPa条件下成功制备出四种钽基中熵211 MAX相陶瓷。XRD与两相Rietveld精修结果表明，四种材料均以211 型MAX相为主，相含量达98.10–99.01 wt.%，仅含约1 wt.%的岩盐型次生碳化物。HAADF-STEM、SAED与STEM-EDS 进一步证实其六方层状M₂AlC 结构，Ta、Ti、Nb、V在所观察区域内共同分布，未见明显元素偏析。四种材料采用完全相同的烧结路线与测试取向，这也保证了不同M位元素组合可在统一层状框架下开展精准的结构与力学性能对比分析。

图2 钽基中熵211 MAX相陶瓷的局域晶体结构与元素分布：(a–c) (TaNbV)₂AlC、(d–f) (TaTiNb)₂AlC、(g–i) (TaTiV)₂AlC、(j–l) (TaTiNbV)₂AlC的HAADF-STEM图像、STEM-EDS元素分布图及沿[0001]与[110]晶带轴的SAED花样。

2. 以较轻的Ti、Nb、V部分取代Ta后，四种中熵陶瓷的体密度降至6.6397–7.5372 g·cm^–3，较Ta₂AlC参比材料的11.4964 g·cm^–3下降约三至四成，相对密度仍保持在98.13%–98.59%。密度大幅降低的同时，力学性能不降反升：四种材料的室温弯曲强度提高至482.2–578.4 MPa，断裂韧性提高至7.34–8.53 MPa·m^1/2，全面超过Ta₂AlC的385.8 MPa与6.40 MPa·m^1/2。其中(TaNbV)₂AlC综合性能最佳，强度与韧性较参比材料分别提高约50%与33%。每种材料均测试五根有效试样并经方差分析与Tukey HSD检验，(TaNbV)₂AlC、(TaTiNb)₂AlC与(TaTiNbV)₂AlC 构成统计意义上的高强度组。晶粒尺寸与热压织构的对照分析进一步显示，二者的变化均与力学性能排序不相对应，表明M位元素组合是造成性能差异的主要因素。

图3 Ta₂AlC参比材料与四种钽基中熵211 MAX相陶瓷的密度与室温力学性能：(a) Rietveld理论密度、阿基米德体密度与相对密度；(b) 室温弯曲强度与断裂韧性，柱状为五根试样均值，误差棒为一倍标准差，叠加符号为各试样实测值。

3. 为揭示性能差异的原子尺度来源，研究团队构建96原子特殊准随机结构模型，通过第一性原理计算结合COHP分析，对M–C与M–Al键进行逐元素解析。结果表明，M位中熵合金化并非将各组元的键合能力简单平均，而是在同一M₂AlC骨架内形成强弱键共存的异质键合网络：Ta–C与Nb–C的平均–ICOHP分别达到4.24–4.46与4.10–4.21 eV/bond，明显高于Ti–C与V–C的3.04–3.40 eV/bond，M–Al键呈现相同的元素依赖趋势但整体更弱。该键合分组与实测弯曲强度的统计分组高度吻合。值得注意的是，三种三元材料具有完全相同的M位构型熵（ΔS_mix/R = ln3），强度却分属不同统计组，而构型熵最高的四元材料既非最强也非最韧。这充分表明，在该钽基211体系中，加入哪些元素比加入多少种元素更为关键。

图4 钽基中熵211 MAX相的局域结构畸变与元素分辨成键：(a) (TaTiNbV)₂AlC的DFT优化96原子SQS结构；(b) M–C与M–Al键的键长畸变；(c,d) M–C与M–Al键的元素分辨平均–ICOHP值。

4. 为揭示中熵MAX相的高温原子尺度响应，研究团队面向Ta–Ti–Nb–V–Al–C六元体系构建深度势模型，并开展300–1500 K有限温度分子动力学模拟。模型对DFT能量和原子力的均方根误差分别为3.32 meV·atom^–1 和 0.11 eV·Å^–1，对未参与训练的表面构型也表现出良好迁移性，并能较好再现代表性(0001)解理界面的分离能与牵引响应。模拟显示，在无氧条件和当前时间尺度内，四种材料至1500 K仍保持层状结构和局域M–C配位，同时出现明显热软化，1500 K本征拉伸强度仍保持约78%–80%。相比之下，基面解理抗力的高温保持呈现明显组分差异，其中四元(TaTiNbV)₂AlC的分离功保持最为突出。结果表明，室温绝对性能与高温本征保持受不同原子尺度因素共同调控，为面向不同服役温度的 M 位成分设计提供了依据。

图5 深度势分子动力学揭示钽基中熵211 MAX相的有限温度结构与基面解理行为：(a) 300–1500 K归一化体积变化；(b) 300、1200和1500 K下的M–C径向分布函数；(c) 不同温度下的模拟XRD图谱；(d) 两个代表性(0001)界面的DP与DFT分离能及牵引响应对比；(e) 300和1500 K下的有限温度牵引–分离过程及代表性原子结构。

综合实验与多尺度模拟结果可知，钽基中熵211 MAX相的强韧平衡及其高温保持受两类互补机制调控：Ta、Nb富集形成的强键合网络有利于获得高绝对强度与断裂韧性，而基面解理抗力及其随温度的保持则关系到高温性能保持能力，二者相互关联但对应不同的设计目标，无法以构型熵这一单一指标统一优化。该工作以较轻元素部分替代高密度Ta，在实现三至四成减重的同时获得强度与断裂韧性的协同提升，为航空航天等质量敏感的高温结构与防护材料提供了明确的成分设计依据。需要说明的是，所用深度势模型的化学空间中不含氧，上述高温结果对应惰性无氧条件下的本征性能保持。

五、作者及研究团队简介

刘璐(第一作者)，河海大学力学与工程科学学院讲师、硕士生导师，工学博士。主要从事结构复合材料及特种、极端环境下材料力学行为研究，近年来重点开展MAX相陶瓷、MXene复合材料及其跨尺度力学行为与高温性能研究。主持国防基础科研计划项目、江苏省自然科学基金青年项目及相关军民融合科研项目，在Journal of Advanced Ceramics等期刊发表论文30余篇，获授权发明专利8项。

董顺(通讯作者)，哈尔滨工业大学青年拔尖教授、博士生导师，获批国家青年科学基金项目(B类)(原国家优秀青年科学基金)。面向国家重大需求，主要从事轻质防/隔热材料研究。主持承担国家级科研项目10余项；以第一/通讯作者发表SCI论文80余篇，授权发明专利、软件著作权20余项，参编著作2部。成果应用于我国多个高速飞行器热防护系统。荣获国家技术发明二等奖、工信部技术发明一等奖各1项。

应国兵(通讯作者)，东南大学材料科学与工程学院特聘教授、博士生导师。曾任河海大学教授，2016—2018年赴美国德雷塞尔大学开展访问与合作研究，并任兼职Faculty。长期从事纳米层状MAX/MAB、MXene、先进陶瓷及其复合材料方面研究，重点关注极端环境下材料的结构与力学行为及结构功能一体化评价。主持国家重点项目（2项）、国家自然科学基金等多项国家级科研项目，发表SCI论文110余篇，授权发明专利30余项。曾获黑龙江省自然科学一等奖、黑龙江省高校科学技术一等奖、江苏省材料学会科技一等奖、江苏省复合材料学会科技进步二等奖等，连续多年入选美国斯坦福大学和爱思唯尔联合发布的全球前2%顶尖科学家榜（World's Top 2% Scientists）。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Liu L, Zhang M, Zhuang Q, et al. Mechanism-driven strengthening of MAX phase ceramics by Ti₃C₂T_x MXene: A comparative study on Cr₂AlC and Ta₂AlC. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(9): 9221134. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221134

2）L Liu L, Ying G, Jiang Q, et al. Ultra-high-temperature application of MXene: Stabilization of 2D Ti₃C₂T_x for cross-scale strengthening and toughening of 3D TiC. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(1): 1-10. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220830

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社有限公司出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。