MAX相是一类三元纳米层状碳化物或氮化物陶瓷,兼具低硬度、良好的可加工性、良好的导电导热性等金属材料的性能和高弹性模量、良好的抗氧化抗腐蚀和抗辐照损伤能力等陶瓷材料的性能。MAX相独特的性能使其在电接触材料、高温结构材料和核电热交换材料等领域展现了巨大的应用前景。但是,MAX相中的A位金属晶须自发生长现象对其在应用过程中的可靠性造成了巨大挑战。因此,目前迫切需要对MAX相中金属晶须自发生长机理形成全面认识以从根本上解决这一问题。此外,从本质上而言,MAX相陶瓷和Sn及Sn基合金等金属中的晶须自发生长现象都是原子的运动,因而对MAX相中金属晶须自发生长机理的研究也将为解决其他材料中的晶须自发生长问题提供基础。本论文以一种典型MAX相Ti₂SnC中的Sn晶须自发生长现象为主要研究对象,采用第一性原理计算与实验研究相结合的方法,从原子运动角度对Ti₂SnC中Sn晶须自发生长的物质迁移机理进行了系统研究,主要研究成果如下:结合稳定同位素示踪和电感耦合等离子体质谱分析（ICP-MS）,研究了Ti₂SnC/Sn体系中Sn晶须自发生长的Sn原子来源。采用酸溶法溶解待测Sn晶须,选择¹¹⁸Sn和¹²⁰Sn为待测同位素。首先通过对Sn原料粉末和Ti₂SnC/Sn体系中Sn晶须成分的分析建立了可靠的ICP-MS测试方法。然后对Ti₂SnC/¹²⁰Sn体系中Sn晶须自发生长的元素来源进行了研究,当Ti₂SnC和¹²⁰Sn的摩尔比为1:0.15时,两者提供的Sn原子比例分别为67%和33%。此外,当Ti₂SnC/A（A≠Sn）体系中存在晶须自发生长现象时,生长的晶须为Sn晶须,所需Sn原子全部由Ti₂SnC晶格提供。研究结果解决了困扰人们已久的Ti₂SnC/Sn体系中Sn晶须生长的原子来源问题:Sn原子由Ti₂SnC晶格和单质Sn共同提供。通过Ti₂AC（A=Al,Si,P,S,Ga,Ge,Cd,In,Sn,Pb,Bi）相形成能的第一性原理计算,对A元素取代Ti₂SnC晶格中Sn原子的可能性和方向性进行了预测,然后结合Ti₂SnC/A体系中晶须生长情况和晶须成分的实验研究,对Sn晶须自发生长的驱动力进行了分析。能够发生取代反应的Ti₂SnC/A（A≠Sn）体系中,A元素会进入Ti₂SnC晶格并取代其中的Sn原子,被置换出的Sn原子处于化学势较高的状态,化学势梯度的存在和取代过程释放的能量为Sn晶须生长过程中的Sn原子的扩散提供驱动力;难以发生取代反应的Ti₂SnC/A（A≠Sn）体系中,Ti₂SnC中的Sn原子处于平衡状态,不能为Sn原子扩散提供驱动力。Ti₂SnC/Sn体系中,单质Sn中的Sn原子会在浓度梯度的作用下进入Ti₂SnC,使其中的部分Sn原子处于过饱和状态,具有较高的化学势,因而会在化学势梯度的驱动下进行扩散。实验结果证实在能够发生交互作用的Ti₂SnC/Sn和Ti₂SnC/Ga体系中均存在Sn晶须自发生长现象;而在难以发生交互作用的Ti₂GaC/Sn和Ti₂SnC/Cd的体系中则不存在晶须生长现象。最终建立了Ti₂SnC与A元素间能否发生交互作用与Sn晶须是否生长之间的关系,揭示了Sn晶须自发生长的驱动力来自Ti₂SnC与A元素之间的交互作用。通过Ti₂SnC/Sn的二维错配度计算、Ti₂SnC中空位形成能和扩散激活能的第一性原理模拟以及Ti₂SnC/Sn晶须界面微观结构的FIB-SEM/TEM表征,对Sn晶须生长的晶体学条件和传质通道进行了分析。在Ti₂SnC中,Sn空位比Ti空位和C空位要容易形成,其空位形成能为1.72eV,并且Sn原子在Ti₂SnC晶格中的扩散激活能仅为0.60eV,表明Sn原子沿Ti₂SnC中的Sn原子层进行迁移在能量上是可行的。实验结果表明,Ti₂SnC/Sn晶须界面的位向关系接近低界面能取向,Sn晶须根部与Ti₂SnC基体中的单质Sn之间不一定相互连通,且通过HRTEM观察到Ti₂SnC/Sn晶须的界面处存在Sn原子通过Ti₂SnC进行扩散并与Sn晶须根部结合的痕迹。最终明确了Sn晶须倾向于生长在位于表面的单质Sn与Ti₂SnC之间具有较低界面能的位置;单质Sn为Sn晶须生长提供形核位点,是晶须生长的必要条件;供应Sn晶须生长的Sn原子主要通过Ti₂SnC中的Sn原子层进行扩散。结合β-Sn表面能的第一性原理计算、Sn晶须生长原位SEM观察和不同生长环境中Sn晶须形貌分析,对Sn晶须的形貌形成机理进行了研究。β-Sn的表面能具有各向异性,当Sn原子扩散出基体后,在非氧化性气氛中,Sn晶须倾向于形成由低表面能晶面包围的棱柱状形貌以降低体系的总能量;而在氧化性气氛中,Sn晶须表面形成的纳米级氧化膜会抑制Sn原子的横向扩散,使Sn晶须保持与原始形核位点相同的轮廓形状,形成具有较高表面能的条纹状形貌;将Sn晶须在空气/真空环境中交替培养,Sn晶须会呈现条纹/棱柱交替的形貌,并且不同条纹状部分间的轮廓始终保持不变。最终厘清了Sn晶须的形貌形成机理,即Sn晶须典型条纹状形貌是晶须原始形核位点形状与Sn晶须表面氧化反应共同作用的结果。综上所述,本论文从Ti₂SnC中Sn晶须自发生长过程中的原子运动出发,明确了Sn晶须自发生长的元素来源、驱动力、晶体学条件与传质通道,以及Sn晶须形貌形成机理等关键问题,对Ti₂SnC中Sn晶须自发生长的物理学本质形成了全面的认识,也为从根本上抑制金属晶须生长提供了理论基础。