REB2C2(RE为Sc、Y和镧系元素)具有类似MAX相的片层状结构,在REB2C2晶体内部,B/C片层和RE片层沿z轴交替堆垛而成;B/C片层中的B-C键为强的共价键,而片层间的RE-B和RE-C键结合力较弱。REB2C2材料片层状结构及B/C片层和RE片层之间的弱结合键,使它具有类似MAX相材料的优良力学性能的特质——可加工性、高损伤容限、各向异性和优异的高温力学性能。同时,根据稀土二碳化物(REC2)水解性能及碳化物制备衍生碳(CDC)的特性,推测REB2C2材料具有较高的化学活性。在所有的REB2C2材料中,难以制备。据此,本文以REB2C2材料为研究对象,主要以YbB2C2陶瓷为例,在成功制备高纯REB2C2样品的基础上,对其力学性能和化学活性进行了系统的研究。主要工作包括:(1)以Yb2O3、B4C和C(石墨)为原料,用“硼/碳热还原法”烧制了高纯YbB2C2材料。YbB2C2陶瓷的烧制工艺:摩尔配比Yb2O3:B4C:C(石墨)=0.7:0.8:6.0;烧结温度1950℃,保温时间1.5小时,升温速率10℃/min;高纯氩气(Ar)保护。在制得高纯YbB2C2样品的基础上,利用拉曼测试仪和第一性原理系统地研究了 YbB2C2的Raman光谱和活性振动模式。同时,对“硼/碳热还原法”烧制REB2C2材料进行了新的探索:通过改变原料(以REH2、REBO3和RE(OH)3粉代替RE2O3粉,或用碳黑代替石墨)和调整原料的摩尔配比,烧制出Yb0.38Y0.62B2C2固溶体、YB2C2和LaB2C2等材料。(2)利用第一性原理计算并预测了 YbB2C2材料的各向异性:z轴方向较x轴方向容易压缩,容易沿x-y平面滑动。烧制了多孔YbB2C2陶瓷样品,其抗压强度σ//(加载方向平行于样品的成型方向)和σ1(加载方向垂直于样品的成型方向)结果证实了 YbB2C2材料的各向异性。孔隙率为69.89%～58.11%的多孔YbB2C2材料抗压缩强度为19.49 MPa～63.44 MPa。常压下,YbB2C2陶瓷在2250℃的氧气环境中仍能保持稳定;但热压(1980℃,30 MPa)时,样品中出现了 YbB6、C和未知相等少量杂质。(3)YbB2C2材料具有高化学活性,室温下即能发生水解反应。YbB2C2水解反应的固体产物为含氧石墨晶体(C(O),O的含量约为7%)、YbB6和黏胶状非晶相(Yb3(OH)3n(BO3)(3-n));其中,C(O)初期形貌为“卷心菜”式的微球,微球最后剥落成石墨薄片,每个薄片由更细小的多个层片组成。YbB2C2水解反应的气体产物有 H2(约 90.55%)、CH4(约 9.02%)、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C4H8、CO和CO2。YbB2C2水解的动力学过程可以划分为准备期、初始期、平衡期和末期等四个阶段;其中,非晶相胶膜在水解过程中发挥了重要作用。YbB2C2水解生成C(O)的现象,表明它具有类似“碳化物‘超临界水法’制备CDC”的性质。根据第一性原理计算,YbB2C2材料的高化学活性源自于晶体中弱结合力的化学键:首先,Yb-B和Yb-C均为类金属键,结合力弱;此外,B/C层中的B-C键有长和短两组,其中,B-CL(L代表“长”)键的结合力较弱。YbB2C2的水解机理可以用“分子电池模型”进行说明:Yb3+和(B2C2)3-分别为电池的阴极和阳极;阴极处,6个H2O分子得到6个e-而被还原成6个H原子,同时生成6个氢氧根(OH-);阳极处,4个B0.5-转移2个e-给H2O分子而被氧化成4个B原子,4个C-转移4个e-给H2O分子而被氧化成4个C原子;水解反应主要依靠电池与水分子之间的“电子转移”(B2C2)3-→Yb3+→H2O)。随后,阴极生成的OH-离子扩散至阳极进而被氧化成O原子。YbB2C2的水解为放热反应,多孔YbB2C2块体样品被水浸湿后释放的热量能将A4纸烧焦。YB2C2也具有类似YbB2C2的水解性能,表明其他REB2C2材料也具有类似的高化学活性。REB2C2的水解与REC2的水解不同,也与碳化物“超临界水法”制备CDC的反应不同;相比REC2、其他碳化物和MAX相,REB2C2具有更高的化学活性。(4)REB2C2与H3BO3、KOH和HF溶液反应均比其水解反应剧烈。YbB2C2与H3BO3溶液反应的产物为HBO2、YbB6、C(O)、B7O、未知相、H2、CH4、C2H2、C2H4、C3H6、CO 和 CO2。YbB2C2 与 KOH 溶液的反应的产物是 YbB6、C(O)、非晶相、未知相、残余的YbB2C2、H2、CH4、C2H4和CO2。H3BO3溶液中丰富的H+离子及KOH溶液中OH-离子是导致两种反应产物不同的主要原因。YbB2C2与H3BO3和KOH溶液的反应机理与YbB2C2水解反应机理类似,均可用“分子电池模型”说明。