【摘 要】
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过渡金属碳化物陶瓷具有较高的硬度、弹性模量和优异的耐热冲击性能与抗摩擦磨损性能,在航空航天、先进核能、切削加工等领域有非常大的应用潜力。随着相关领域对材料性能的要求越来越高,单组分过渡金属碳化物的性能已经不能满足应用的要求,近年来性能更加优异的高熵过渡金属碳化物陶瓷引起了科研工作者的广泛关注。高熵材料的四大典型效应及组分的可设计性使得其具有更高的硬度、更低的热导率、优异抗氧化性能与抗烧蚀性能,被认
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过渡金属碳化物陶瓷具有较高的硬度、弹性模量和优异的耐热冲击性能与抗摩擦磨损性能,在航空航天、先进核能、切削加工等领域有非常大的应用潜力。随着相关领域对材料性能的要求越来越高,单组分过渡金属碳化物的性能已经不能满足应用的要求,近年来性能更加优异的高熵过渡金属碳化物陶瓷引起了科研工作者的广泛关注。高熵材料的四大典型效应及组分的可设计性使得其具有更高的硬度、更低的热导率、优异抗氧化性能与抗烧蚀性能,被认为是一种极具潜力的超高温结构材料。然而高熵陶瓷组分设计的多样性使得材料制备、物相和微观结构与性能之间的关系研究变得非常复杂。本工作在课题组前期开展的等摩尔比五主元高熵碳化物(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C研究的基础上,聚焦三主元、四主元过渡金属碳化物固溶体。首先采用过渡金属氧化物和碳黑为原料,制备三主元、四主元过渡金属碳化物粉末,再通过放电等离子体烧结（SPS）技术制备多主元碳化物陶瓷块体,研究了高熵碳化物陶瓷粉末和块体的组分、相组成和微观结构以及力学性能之间的关系,并分析其内在机理,为多主元高熵碳化物陶瓷材料的组分设计和性能调控提供理论指导和实践参考。具体研究结果如下:（1）从Ti O2、Zr O2、Hf2O5、Nb2O5、Ta2O5中选取3-4种组分和碳黑为原料,通过碳热还原反应在1600°C保温1 h合成三主元、四主元的碳化物粉体。粉体的物相形成规律表现为:a)大多粉体为双相结构,同时不含Zr C和Hf C,或者同时不含Nb C和Ta C,才比较容易获得单相的粉体;b)高熵碳化物的两相分别以Hf C和Ta C的晶体结构为基体,其它组分更倾向于固溶进基体组分的晶体结构中;c)Ti C可以扩大粉体中两相的晶格常数差异,使得两相之间的固溶更加困难。（2）采用自合成的三主元和四主元碳化物粉体为原料,通过SPS在1900°C保温10 min制备三主元、四主元碳化物陶瓷,并分析其组分、相组成和显微结构之间的关系。结果表明,三主元和四主元碳化物陶瓷基体相都为单相面心立方结构,并且致密度均达到了97.27%以上。陶瓷基体相中过渡金属元素分布均匀且含量接近等摩尔,除了基体相还有未参与反应而剩余的碳黑相,碳黑相的含量随着陶瓷组分中IVB族过渡金属碳化物含量的增加而上升。（3）陶瓷的力学性能受到组分、碳黑含量、晶粒尺寸等多方面的影响。通过控制组分优化材料的微观结构和性能,四主元碳化物(Ti0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C获得了较为优异的力学性能,它的维氏硬度和杨氏模量分别达到了21.72±0.60 GPa和499 GPa。
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