【摘 要】
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采用原位反应法,以金属钽板和灰铸铁为原料,制备出微纳米结构碳化钽（TaC）陶瓷材料,借助X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（ESD）等检测设备对微纳米结构TaC陶瓷的物相组成、微观组织和化学组成进行了研究;采用纳米压痕连续刚度法对微纳米结构TaC陶瓷的硬度、弹性模量以及塑性变形行为进行了表征;利用纳米压痕实验结合有限元模拟及量纲分析的方法对微纳米结构TaC陶瓷材料的屈服强
【基金项目】
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国家高技术研究发展（863计划,No.2013AA031803）； 国家国际科技合作专项（No.2014DFR50630）； 国家自然科学基金（No.2013AA031803）；
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采用原位反应法,以金属钽板和灰铸铁为原料,制备出微纳米结构碳化钽（TaC）陶瓷材料,借助X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（ESD）等检测设备对微纳米结构TaC陶瓷的物相组成、微观组织和化学组成进行了研究;采用纳米压痕连续刚度法对微纳米结构TaC陶瓷的硬度、弹性模量以及塑性变形行为进行了表征;利用纳米压痕实验结合有限元模拟及量纲分析的方法对微纳米结构TaC陶瓷材料的屈服强度进行表征。研究结果表明:（1）在1135℃下保温一定时间,对预制体进行快速水冷可以制备出微纳米结构TaC陶瓷,且陶瓷层与灰铸铁基体之间结合良好,无气孔、夹杂等界面缺陷,无污染,体现了原位反应的优势;当保温10min时,微纳米结构TaC陶瓷层厚度约为25μm,靠近钽板一侧的TaC陶瓷致密且均匀,几乎全部由TaC颗粒组成,越靠近灰铸铁一侧,TaC陶瓷颗粒的体积分数逐渐降低,Fe和C的含量逐渐增大;XRD测试表明:微纳米结构TaC陶瓷的表面只存在TaC相,说明微纳米结构TaC陶瓷近表层非常致密,无其他杂质相,而在纵截面存在Ta、TaC、Fe3C、α-Fe以及石墨（G）。（2）利用纳米压痕法对微纳米结构TaC陶瓷的硬度和弹性模量分析可知:不同压入深度下,每个压深确定的本征硬度和弹性模量存在明显的压痕尺寸效应,压入尺寸越大,硬度和弹性模量越小;在一个确定的压入深度下,硬度/弹性模量出现平台或峰值后,也随着压入深度的增大不断减小,分析可知是组织对其的影响,因此微纳米结构TaC陶瓷层的硬度和弹性模量并不是一个恒定值,又由于微纳米结构TaC陶瓷的近表层近乎致密,可取压入深度300nm时的硬度及弹性模量值作为微纳米结构TaC陶瓷的本征力-+学性能值表征,分别为21GPa和413GPa。（3）对微纳米结构TaC陶瓷塑性变形行为分析可知,随着压入载荷或者加载速率的增大,微纳米结构TaC陶瓷的塑性变形量均逐渐增大（处于纳米级别）,通过计算其蠕变应力指数值进一步解释了这一现象,随着压入载荷和加载速率的增大,蠕变应力指数逐渐减小,蠕变应力指数越小,塑性变形能力越大。（4）在确定微纳米结构TaC陶瓷屈服强度的过程中,首先通过量纲分析中的Π定理对纳米压痕问题进行分析,获得纳米压痕实验得出的载荷-位移曲线函数与被测材料相关的各个参数（屈服强度、泊松比等）之间的无量纲函数关系式;其次通过有限元分析模拟出压头压入陶瓷1000nm的纳米压痕过程,通过处理计算结果,得到了无量纲函数的具体函数形式;第三,结合得到的无量纲函数关系式和纳米压痕实验得到的载荷-位移曲线求出微纳米结构TaC陶瓷的屈服强度为7.05GPa。
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