MAXフェーズ

MAX相は、層状の六方晶炭化物および窒化物で、一般式はM _n+1 AX _n、(MAX)で表され、nは1～4です^[1]。Mは前期遷移金属、AはA族元素（主にIIIA族とIVA族、または13族と14族）であり、Xは炭素および/または窒素です。層状構造は、A族元素の単層平面層が交互に配置された、エッジを共有する歪んだXM ₆八面体で構成されています。

1960年代に、H. Nowotnyと同僚は、三元系の層状炭化物と窒化物の大きなファミリーを発見し、彼らはこれを「H」相と呼びました。^{[3] [4] [5] [6]}現在では「211」MAX相（つまりn = 1）として知られています。また、いくつかの「312」MAX相も発見されました。 ^{[7] [8]その後の研究は、Ti} ₃ SiC ₂などの「312」相にまで及び、それが異常な機械的特性を持つことを示しました。^[9] 1996年、BarsoumとEl-Raghyは、初めて完全に緻密で相純粋なTi ₃ SiC ₂を合成し、特性評価により、金属とエンジニアリングセラミックスの最高の特性のいくつかが明確に組み合わさっていることを明らかにしました。^[10] 1999年にはTi ₄ AlN ₃（つまり「413」MAX相）も合成し、同じように挙動するはるかに大きな固体ファミリーを扱っていることに気づきました。2020年にはMo ₄ VAlC ₄（つまり「514」MAX相）が発表され、20年以上ぶりにファミリーの定義が大幅に拡張されました。^[1] このテーマに関する最初の「現代的な」論文が発表された1996年以来、これらの相の特性の理解は飛躍的に進歩しました。2006年以降、研究はMAX相材料を含む複合材料の製造、特性評価、実装に焦点が当てられています。アルミニウム-MAX相複合材料を含むこのようなシステム^[11]は、純粋なMAX相材料よりも延性と靭性をさらに向上させる能力を持っています。^{[12] [11]}

三元系MAX相化合物および複合材料の合成は、燃焼合成、化学蒸着、異なる温度および流束率での物理蒸着、^[13]アーク溶融、熱間等方圧プレス、自己伝播高温合成（SHS）、反応焼結、スパークプラズマ焼結、メカニカルアロイング、溶融塩中での反応など、さまざまな方法によって実現されています。^{[14] [15] [16] [17] [18] [19]}溶融塩中の元素置換法は、一連のM _n+1 ZnX _nおよびM _n+1 CuX _n MAX相を得るために開発されました。^{[20] [21] [22] [23]}

これらの炭化物と窒化物は、化学的、物理的、電気的、機械的特性の珍しい組み合わせを持ち、様々な条件下で金属とセラミックの両方の特性を示します。^{[24] [25]}これらには、高い電気伝導性と熱伝導性、耐熱衝撃性、損傷許容性、^[11]機械加工性、高い弾性剛性、および低い熱膨張係数が含まれます。一部のMAX相は、化学的侵食（例：Ti ₃ SiC ₂）および空気中の高温酸化（Ti ₂ AlC、Cr ₂ AlC、およびTi ₃ AlC ₂）に対しても非常に耐性があります。これらは、高効率エンジン、損傷許容熱システム、疲労耐性の向上、および高温での剛性の保持を含む技術に有用です。^[26]これらの特性は、MAX相の電子構造と化学結合に関係している可能性があります。^[27]これは、高電子密度領域と低電子密度領域の周期的な変化として説明できます。^{[28]これにより、Mo} ₂ BC ^[29]やPdFe ₃ Nなどの電子構造の類似性に基づいた他のナノラミネートの設計が可能になります。^[30]

MAX相は金属のような結合特性を持つため、電気的および熱的に伝導性があります。MAX相のほとんどはTiよりも優れた電気および熱伝導性を持っています。これは電子構造にも関係しています。^[31]

MAX相は硬いが、他の金属と同様に簡単に機械加工できる。チタンと同じ密度でチタンの3倍の硬さを持つものもあるが、すべて弓のこを使って手作業で機械加工できる。また、優れた導電性があるため、磨いて金属光沢を出すこともできる。熱衝撃の影響を受けにくく、損傷に対する耐性が非常に高い。Ti ₂ AlCやCr ₂ AlCなど、酸化や腐食に強いものもある。^[32] 多結晶Ti ₃ SiC _2は熱起電力がゼロで、これは異方性電子構造と相関する特徴である。^[33]

MAX相は、一般的に硬く、軽量で、高温でも塑性があります。これらの化合物の層状原子構造により^[11] 、 Ti ₃ SiC ₂やTi ₂ AlCなどの一部の化合物はクリープや疲労にも 強く、^[34]高温でも強度を維持します。これらの化合物は、底面すべり（高温で変形したMAX相で基底面外のa転位と転位交差すべりの証拠が最近報告され^[35]、Cuマトリックス拡散によって誘発されるフランク部分c転位も報告されています^[36]）、キンクとせん断帯の変形の組み合わせ、および個々の粒子の層間剥離を特徴とする独特の変形を示します。^{[37] [38] [39]}機械試験では、多結晶Ti ₃ SiC ₂シリンダーは室温で1 GPaの応力まで繰り返し圧縮でき、負荷を取り除くとエネルギーの25%を消散させながら完全に回復することがわかった。MAX相のこれらのユニークな機械的特性を特徴付けることによって、キンク非線形固体が発見された。これらの特性の原因となると考えられるミクロメカニズムは、初期キンクバンド（IKB）である。しかし、これらのIKBの直接的な証拠はまだ得られていないため、仮定に頼らない他のメカニズムの可能性が残されている。実際、最近の研究では、MAX多結晶のサイクル時の可逆的なヒステリシスループは、非常に異方性のラメラミクロ構造の複雑な応答によっても説明できることが実証されている。^[40]

• 強靭で機械加工性に優れ、耐熱衝撃性に優れた耐火物^[41]
• 高温加熱素子^[32]
• 電気接点用コーティング
• 原子力用途における中性子照射耐性部品^[42]
• 炭化物由来炭素の合成のための前駆体^[43]
• 2次元遷移金属炭化物、窒化物、炭窒化物の一種であるMXenesの合成のための前駆体^[44]