Ultra-high-temperature application of MXene: Stabilization of 2D Ti 3C 2T x for cross-scale strengthening and toughening of 3D TiC

材料科学 MXenes公司 最大相位 放电等离子烧结 扫描电子显微镜 碳化物 氮化物 透射电子显微镜 过渡金属 结晶学 复合材料 分析化学(期刊) 微观结构 图层(电子) 纳米技术 化学 催化作用 生物化学 色谱法
作者
Lu Liu,Guobing Ying,Quanguo Jiang,Dong Wen,Yan Wang,Meng Wu,Ziying Ji,Yongting Zheng,Xiang Wang
出处
期刊:Journal of Advanced Ceramics [Springer Science+Business Media]
卷期号:13 (1): 1-10 被引量:10
标识
DOI:10.26599/jac.2024.9220830
摘要

The transition metal carbide/nitride core within MXenes makes them considerably useful for ultra-high temperature reinforcement. However, extensive research on Ti3C2Tx MXene has revealed its tendency to undergo a phase transition to TiCy at temperatures above 800 °C due to the high activity of a superficial Ti atomic layer. Herein, spark plasma sintering of Ti3C2Tx and TiC is performed to prevent the Ti3C2Tx phase transition at temperatures up to 1900 °C through the fabrication of composites under a pressure of 50 MPa. Using a focused ion beam scanning electron microscope to separate the layered substances in the composites and examining selected area diffraction spots in a transmission electron microscope enabled identification of a non-phase-transitioned MXene. First-principles calculations based on density functional theory indicated the formation of strong chemical bonding interfaces between Ti3C2Tx and TiC, which imposed a stability constraint on the Ti atomic layer at the Ti3C2Tx surface. Mechanical performance tests, such as three-point bending and fracture toughness analysis, demonstrated that the addition of Ti3C2Tx can effectively improve the cross-scale strengthening and toughening of the TiC matrix, providing a new path for designing and developing two-dimensional (2D) carbides cross-scale-enhanced three-dimensional (3D) carbides with the same elements relying on a wide variety of MXenes.
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