研究背景

面向信息、智能、电气化和航空航天在新时代的功能需求，材料科学研究是支持技术创新的基石，能够为各个领域的设备和系统赋予新的功能和特性，加速实现技术突破。

MAX系列材料是一类具有六方结构(空间群为P6₃/mmc)的三元层状碳/氮化物，其中(M为过渡金属(28种)，A为主族元素(29种)，X主要为碳或氮(6种))。MAX相的原子结构可以看作是由共价键为主的[M₆X]八面体结构和金属键为主的[M₆A]三棱柱结构沿着c轴方向交替堆叠而成。由于其独特的晶体结构和广泛的元素包容性，使其兼具金属和陶瓷的双重特性。它们通常表现为高强度、高硬度、良好的导电性和导热性，且具有优异的耐磨性、抗腐蚀性和高温稳定性。因此，MAX系列材料成为了材料科学、机械工程、航空航天等领域研究的重要对象。

A review of MAX series materials: From diversity, synthesis, prediction, properties oriented to functions

Jian Zhang, Ru Jia, Kar Ban Tan, Jiaming Li, Shichong Xu*, Guobing Ying*, Wenjuan Han*, Ming Lu*

Nano-Micro Letters (2025)17: 173

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01673-9

本文亮点

1. 系统介绍了MAX系列材料的研究时间线、结构多样性和合成方法。

2. 以功能应用为导向，概述了MAX系列材料在预测、性质和应用方面的研究进展。

3. 展望了MAX系列材料的未来机遇与挑战。

内容简介

MAX系列材料作为非范德华层状多元素化合物，因其独特的层状晶体结构和广泛的元素包容性，使其融合了金属材料的优良导电性和导热性，又具备陶瓷材料的高强度、高硬度等特性，赋予了MAX系列材料的可调节性能和功能维度，使其在多种应用中展现出独特优势。随着新时代信息化、智能化、电气化和航空航天等领域的快速发展，如何加速MAX系列材料向新型生产力的转化成为亟待解决的问题。为此，如何系统地增强对MAX系列材料的认知？其核心在于深入理解其低维几何结构特性及物理化学性能，揭示材料成分、结构与功能之间的内在关系，并结合人工智能(AI)和预测方法实现合理设计。然而，MAX系列材料的多样性也为其研究带来了复杂性，亟需更为全面和系统的分析与总结。为此，吉林师范大学MXene材料联合实验室鲁铭、韩文娟、徐仕翀&东南大学应国兵等人梳理了MAX系列材料的研究进展，涵盖以下几个方面：(I) 1960年至今的MAX材料研究历程；(Ⅱ) MAX材料的结构多样性及分类惯例；(Ⅲ) MAX材料的合成路线探索；(Ⅳ) 基于理论分析和机器学习的材料预测；(Ⅴ) MAX材料的性质/性能特点；(Ⅵ) MAX系列材料的功能性应用。通过该综述，研究人员可以快速定位研究领域，识别MAX系列材料的关联与差异，从而加深对其特性与应用的理解。此外，本综述还重点讨论了MAX系列材料未来发展的研究挑战，并对如何克服这些挑战、推动其更广泛应用进行了展望。

图文导读

I 介绍

MAX系列材料(MAX相)是层状、六方结构和可加工的过渡金属碳化物和氮化物。由于它们兼具金属和陶瓷的特性，近年来在科学研究中受到广泛关注。从图1中的高频关键词可以看出，MAX系列材料领域的研究在不断深化(基于Web of Science中的MAX Phase关键词)。这些高频关键词的使用表明MAX材料是一种多功能、高性能的创新材料，是当今材料科学研究的热点之一。

图1. MAX系列材料的高频关键词。

II 历史里程碑和时间线

MAX系列材料的研究自1960年代以来取得了显著进展。通过精细结构解析和不断发展的制备技术，研究人员发现了MAX材料的结构相似性，并进一步揭示了其独特的物理化学特性。随着合成方法的创新和多样化，MAX系列材料展现了结构和功能多样性。这些材料不仅在基础研究中取得了突破，还在功能应用方面取得了丰硕成果。通过精细的设计和优化，MAX材料逐步满足了现代信息化、智能化、航空航天等领域的需求，推动了科技创新和技术进步。近年来，层间有序MAX相、高熵MAX相以及MXene等新型材料的发现，进一步拓宽了MAX系列材料的研究视野和应用前景。

图2. MAX系列材料的研究发展时间线。

III MAX系列材料的多样性

3.1 MAX相的元素多样性

在当前的元素周期表中，共有28种M元素、29种A元素和6种X元素可用于构成MAX相，这意味着几乎有50%的元素可以参与MAX相的形成(如图3所示)。那么，为什么MAX相能够如此广泛地包容多种元素呢？其原因在于MAX相独特的层状结构，以及M-A和M-X之间的键合与排列方式，这赋予了原子在空间和化学配位上的高度自由度。

图3. MAX系列材料元素周期表。

3.2 MAX相的结构多样性和分类

3.2.1 结构分类

为了更精确地识别结构，MAX相被划分为三种主要类型：

类型 I(传统MAX相)：表达式为 Mₙ₊₁AXₙ，具有六方层状结构 (P6₃/mmc)，其中 n 的取值一般在 1~3 之间，但部分研究表明，在特定条件下可扩展至 n = 4~6，传统MAX相的原子结构可以看作是由共价键为主的[M₆X]八面体结构和金属键为主的[M₆A]三棱柱结构沿着c轴方向交替堆叠而成。

类型 II(互生MAX相)：表达式为Mₙ₊₂A₂Xₙ (n = 3, or 5), 由于 Mₙ₊₁Xₙ层的排列顺序和堆叠周期数差异，导致其晶体结构属于R3 ̅m空间群。这类结构本质上是类型 I MAX 相的亚单元组合，例如 Ti₅S₂C₃ (523 相) 由 312 相和 211 相单元组合而成，而 Ti₇Si₂C₅ (725 相) 由 312 相和 413 相交替排列构成。

类型 III(双A层MAX相)： Mₙ₊₁A₂Xₙ, (n = 1 或 2)由双层 A 原子隔开的 M 原子层组成，代表性材料包括 Mo₂GA₂C、Nb₂Bi₂C、Ti₂Cd₂C₂、Nb₂S₂C、Ti₂Au₂C 和 Ti₂Au₂C₂。其中，Mo₂GA₂C 具有P6₃/mmc对称性，而 1s-Nb₂S₂C 为P3 ̅m1，3s-Nb₂S₂C 则为R3 ̅m。此外，Ti₂Au₂C 和 Ti₂Au₂C₂具有三方晶系P3 ̅m1结构。 

图4. MAX系列材料的原子排列模型。a类型I；b类型II；c类型III。

3.2.2 固溶MAX相

有序MAX相(o-MAX相和i-MAX相)是通过在M或A引入多个元素，这些原子呈现有序排列形成的固溶体MAX相。o-MAX相具有层间有序结构，其中M′和M′′原子分别占据不同的原子层。具体来说，M′原子层包围一层或两层M′′原子层，保持六方晶体结构(P6₃/mmc)。这种结构的MAX相，如312型M′₂M′′AX₂和413型M′₂M′′2AX₃，通常具有较为准确的M′/M′′比例。通过引入第三金属元素作为掺杂原子，M′和M′′位点的固溶体配置可以进一步丰富。与o-MAX相相对，i-MAX相则表现出平面有序结构，其中M′和M′′原子出现在同一原子层，呈现平面内有序排列。i-MAX相通常呈现单斜(C₂/m和C₂/c)或正交(Cmcm)晶体结构，其晶体对称性偏离六方形，这主要是由于M′和M′′金属原子之间的原子半径差异大于0.2 Å，导致它们不再共平面排列。M′和M′′原子由于原子半径差异，可能会移近A层，进而影响A层的结构，使其从六方晶格偏离，呈现类似Kagomé的结构。

图5. 有序的固溶的MAX系列材料。a. 层外有序的312和413型o-MAX；b. 平面内有序的i-MAX。

MAX相的无序固溶是指在其晶体结构中，某些元素在特定位置上并非以有序方式排列，而是随机分布。无序固溶的形成依赖于元素晶体结构、原子半径、化学性质以及电子结构相似性。当不同元素在尺寸、电子结构和化学性质上相似时，它们可以随机分布在这些位点上。无序固溶原子诱导了MAX相材料的物理和化学性能演变，赋予其更为多样的应用领域。

IV MAX系列材料的合成策略

MAX相的合成是一个多层级且复杂的过程，涉及原子扩散、化学键的断裂与形成等多个物理和化学现象，关键在于化学键和原子结构的重构，形成特定的层状结构。M-X键有助于维持结构的稳定性，而弱的M-A键则为A原子的扩散提供了较大的自由度。这种弱键特性使得A原子能够快速迁移，促进MAX相的形成。本文分别介绍了固态、熔盐和气相体系的合成策略。

图6. a. 无压烧结；b. 热压烧结；c. 热等静压烧结；d. 自蔓延高温合成；e. 微波合成；f. 放电等离子烧结；g. Lewis盐置换策略；h. 化学剪辑策略；i. 熔盐电解法j. 离子束溅射法；k. 低压化学气相沉积系统。

V 模拟与预测

由于其复杂的晶体结构和复杂的元素组成，高成本、低效率、苛刻的合成条件和复杂的设备制约了新型MAX系列材料的研发。数据驱动的模拟和预测可将组分、结构和性质建立数字关联，指导新元素的引入、晶体结构和性质预测，助力MAX系列材料开发。引入大语言模型，迭代算法，算力设施性能提升等综合技术应用，有望推动从现有数据分析到推理未知能力的转变，为探索开发MAX，理解结构、组成和性质关联，开辟了新的途径。推动MAX系列材料的研究从经验驱动转向“数据+AI驱动”。

图7. a. 碳基的 MAX 相材料的稳定性预测。b. 预测稳定的i-MAX 相与固溶 MAX 相的元素分布图。c. (M′2/3M′′1/3)2AlC合金相稳定性预测。d. 1960年以来通过实验研究和理论预测形成的稳定的MAX相统计图。e. MAX相计算工作流程图。

VI 性质和性能

MAX相具有优异的机械性能、热力学性能、导电性、磁性、高温抗氧化性和耐腐蚀性，其层状结构由强共价键连接的M-X层和弱金属键连接的M-A层组成，具有高硬度、高强度、高韧性和优异的导电性和导热性。这种结构使材料即使在高温下也能保持良好的机械和化学稳定性。对于特定的应用领域，可以通过合金化、纳米化、表面改性等方法进一步调整和优化MAX相的性能。

图8. a. Ti₃AlC₂在800 ℃下氧化后的断面SEM图像； b. Ti3Al0.8Sn0.2C2在850 ℃下氧化30小时后的SEM图像。c. MAX相氧化膜起皱/弯曲、起泡及后续脱落氧化的示意图。

VII 功能应用

MAX系列材料由于其独特的层状结构和广泛的元素包容性，结合了金属和陶瓷的优势，具备优异的高温抗性、抗氧化性、抗热震性、机械强度和导电性，为航空航天、汽车、电子、能源和化学工程等领域的技术进步和创新提供了有力支持。图9展示了MAX相的物理化学性质及其未来应用。MAX相具有三种形态：粉末、块体和薄膜，不同形态的材料在性能和应用上存在显著差异。粉末形态具有较大的比表面积，适用于催化、能源存储、复合材料等领域。块体形态具有较高的机械强度、高温抗性和热稳定性，常用于需要高强度和稳定性的工程应用。由于其出色的表面特性，薄膜形态广泛应用于保护涂层、耐磨涂层和传感器零件等领域。本章节基于MAX相的特征状态，介绍了MAX相的基础应用研究进展。

图9. MAX系列材料差异形态(粉体、块体、薄膜)的性质和应用。

VIII 总结与展望

本综述系统梳理了MAX系列材料的发展历程，涵盖其元素组成、晶体结构、制备技术、合成机理及计算模拟进展，并深入探讨了其物理化学性能与潜在应用。本文旨在为MAX材料研究人员提供一份详尽且易于理解的参考，使其全面掌握最新的合成策略、结构解析方法及功能创新的研究进展。然而，尽管MAX系列材料凭借其优异的力学、热学及电磁性能展现出广泛的应用前景，仍面临诸多亟待解决的挑战

1. 如何利用机器学习推动MAX材料创新？

MAX系列材料的研发涉及复杂的多元体系，其化学组成、晶体结构及物理化学性能的高度耦合性使得传统的实验研究方法面临高成本、高耗时的问题。因此，构建高效的机器学习系统以辅助材料设计和性能预测，将成为推动MAX材料创新的重要手段。通过整合现有MAX材料的化学组成、晶体结构及性能数据，并结合实验技术、计算模拟、机器学习与深度学习算法，可以建立数据驱动的材料预测模型，帮助科学家和工程师精准预测材料在极端环境下的稳定性与性能，优化材料筛选流程，从而减少实验试错成本并加速开发周期。此外，跨学科融合材料科学、计算科学、化学与物理学等领域的专业知识，有助于快速扩充数据集并不断优化模型精度。未来，目标是构建一个基于人工智能的自主MAX材料研发体系，结合机器人实现自动化合成与表征，并通过AI解析实验结果、推荐实验方案，最终形成闭环的全自动创新体系，实现高效、智能的MAX材料设计与优化。

2. 如何实现MAX相材料的精准可控合成?

实现MAX材料的可控合成，核心在于深入理解其反应机理，以精准调控材料的纯度、密度、几何形貌及微观结构。原位表征技术的应用能够实时监测材料在不同阶段的演变过程，从而优化合成参数，提高材料制备的可控性。目前，主流的MAX材料合成方法仍以固相烧结为主，但该方法受限于固体界面上的原子扩散，难以精准控制成核与生长过程。此外，尽管高温高压能够加速扩散动力学，但随之而来的高能耗问题限制了其大规模应用。因此，未来应推动无压、低温固相反应及成本可控的熔盐辅助合成技术，以降低能耗并提高材料的可制造性。同时，应进一步发展气相沉积技术，特别是在不受成本限制的高端制造、航空航天及军工领域。此外，探索基于液态反应的MAX材料合成策略，也可能为其大规模制备提供新的思路。

3. 如何构建MAX相材料的全链条产业生态，实现技术-制造-应用的协同发展？

MAX材料的大规模应用不仅依赖于合成技术的突破，还需构建完整的产业生态，以确保其能够无缝融入现有工业体系，并克服性能开发与应用拓展的瓶颈。在航空航天领域，MAX材料因其优异的耐高温性能，成为发动机和航天器热防护结构的理想候选材料，同时，其优异的耐磨损与抗腐蚀特性使其适用于航天发射器及海洋工程的防护涂层。要推动MAX材料的产业化，需充分挖掘其独特优势，并结合其在特定应用场景中的不可替代性，以提升其市场竞争力。此外，功能与成本的平衡也是决定MAX材料能否实现大规模应用的关键因素。通过发展在航空航天、深海探索等领域的功能化应用，突破性能与成本之间的权衡，MAX材料有望在更广泛的工业领域发挥重要作用。

作为一种多元素材料体系，MAX材料的性能调控依赖于原子结构和微观几何形貌的精准设计，而其大规模应用的关键在于制备技术的持续创新。未来，通过跨学科的深度融合，例如结合计算材料学、人工智能、先进表征手段与新型合成技术，可加速MAX材料的研发进程，推动其在高端制造、航空航天、能源存储等领域的广泛应用。这一协同创新模式或将开启MAX材料研究的新纪元，为功能材料的发展带来革命性突破。

作者简介

鲁铭

本文通讯作者

吉林师范大学 副教授

▍主要研究领域

MAX/MXene材料的可控制备、表征解析、结构导向设计及其在新概念电池中的应用研究。

▍主要研究成果

吉林师范大学MXene材料联合实验室，副教授。2019年博士毕业于吉林大学，后在中国科学院金属研究所做访问学者。创新实现MAX相陶瓷材料的纳米化，开发了无氟绿色的MXene可控制备技术，揭示了MXene层间环境与离子插层储能相互作用机制，提出了理性设计MXene基离子插层电极规则，优化了MXene作为电化学电极材料的功能应用，构筑了MXene基新概念离子电池储能体系。以第一作者或通讯作者在Nano-Micro Letters, Advanced Functional Materials, Nano Letters等期刊发表论文70余篇；授权发明专利5项，参与自然基金委重点项目2项，主持省部级基金3项，企业横向课题2项，参加MAX/MXene材料相关科技项目12项。获吉林省自然科学二等奖1项。

▍Email：luming@jlnu.edu.cn

徐仕翀

本文通讯作者

吉林师范大学 教授

▍主要研究领域

长期从事磁性纳米复合材料的制备与表征、MAX/MXene材料开发与设计、金属基复合材料的界面设计与加工应用等研究。

▍主要研究成果

哈尔滨工业大学博士，吉林师范大学物理学院教授，硕士生导师，吉林师范大学“四有好老师”，校教学能手，省精品在线开放课程主讲教师，功能材料物理与化学教育部重点实验室副主任，吉林省高等学校新型功能材料实验室主任，吉林省校企联合实验室—MXene材料联合实验室负责人。在Nano-Micro Letters，Chemical Engineering Journal，Nano Letter，Ceramics Internationa，ACS Applied Energy Materials，Materials Science and Engineering: A等期刊发表论文50余篇；主持国家自然基金项目1项，主持省部级基金项目4项，授权发明专利4项，获吉林省高校优秀科技成果转化项目一等奖1项。

▍Email：jlsdwlxsc@jlnu.edu.cn

应国兵

本文通讯作者

东南大学 教授

▍主要研究领域

长期从事纳米层状MAX/MAB、二维MXene等陶瓷及其复合材料研究，致力于特种环境下复合材料与结构的应用。

▍主要研究成果

东南大学教授、博士生导师，国家重点项目首席科学家，“特种复合材料与结构”团队负责人，中国硅酸盐学会特陶分会理事，江苏省复合材料学会理事、专委会副主任，江苏省创新平台执行主任。曾任美国德雷塞尔大学兼职教授、河海大学教授等。入选2024全球前2%顶尖科学家榜单。主持国家重点项目、国家自然科学基金等项目20余项，发表论文120余篇，授权专利20余项。获黑龙江省自然科学一等奖、江苏省复合材料学会科技进步二等奖等多个奖项。

▍Email：gbying@seu.edu.cn

韩文娟

本文通讯作者

吉林师范大学 讲师

▍主要研究领域

主要开展MXene材料及其衍生物(量子点、气凝胶)的创制及电池反应催化机理研究。

▍主要研究成果

吉林师范大学MXene材料联合实验室，讲师。2022年博士毕业于东北师范大学。以第一作者或通讯作者在Nano Letters,‌‌ Journal of Energy Chemistry，Journal of Materials Chemistry A 等期刊发表论文10余篇，授权专利2项，主持省部级基金1项。

▍Email：Hanwj@jlnu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

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