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哈尔滨工业大学王玉金/陈磊团队：通过碳元素含量(非化学计量比)引发(TiZrVNb)C陶瓷原位相分解，实现相界面微结构调

已有 2045 次阅读 2024-6-18 10:52 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊

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Cite this article:

Kong Q, Zhang R, Chen L, et al. Phase transition of multi-component (TiZrVNb) C ceramics—Part I: Phase decomposition induced by carbon content[J]. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(5).

https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220888

1、研究背景

过渡金属碳化物陶瓷(如ZrC、TiC、NbC等)作为超高温陶瓷(UHTC)的一种，具有高熔点、杨氏模量、高温稳定性等优异的力学性能和热性能，广泛应用于航空航天、核工业、机械、冶金等领域。随着航空航天和核工业的发展，对超高温材料的性能要求越来越严格。自高熵合金概念被报道以来，高熵材料由于复杂成分带来的特殊性能而受到广泛关注。近年来，高熵碳化物陶瓷的研究也取得了很大进展。与单组元碳化物陶瓷相比，多组元碳化物陶瓷的综合性能有所提高。随着多组元碳化物陶瓷的深入研究，人们对四元、五元、六元甚至九元系碳化物进行了大量的研究。但目前对多组元碳化物陶瓷的研究大多集中在单相陶瓷上，而单相陶瓷的综合性能，尤其是力学性能难以取得进一步的突破。研究表明，原位相分解得到的材料其两相之间往往具有一定的取向关系，共格或半共格界面的普遍存在可能带来优异的力学性能。因此，研究碳含量变化引起的相分解具有广泛的探索空间和力学性能的提升潜力。

2、文章亮点

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本研究采用放电等离子烧结技术（SPS）在不同温度下制备了一系列非化学计量比的(TiZrVNb)C_x陶瓷。本文详细研究了碳含量对(TiZrVNb)C_x陶瓷的相组成、微观结构演变和力学性能的影响。同时，发现了由于碳含量降低引起的类似于调幅分解形式的相分解，形成了由贫锆相和富锆相组成的具有半共格取向关系的纳米级别的交替层状结构。纳米级别的交替层状结构有效提升了多组元碳化物陶瓷的综合力学性能，尤其是在硬度和强度上与单相高熵碳化物陶瓷相比具有明显的优势，甚至优于较高碳含量的单相碳化物高熵陶瓷。这项工作为多组元碳化物陶瓷的微观结构演化设计和力学性能优化提供了新的思路。

3、研究结果及结论

碳含量降低引起的体系相分离在热力学上是自发的。DFT计算得到的不同碳含量的(TiZrVNb)C_x的形成能表明，碳含量的降低会显著提升体系的形成能，降低其热力学稳定性。此外热处理后发生的显著的相分解也有效地支持了相分解在热力学上是自发进行的。

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图1. (TiZrVNb)Cx陶瓷的晶格常数和形成能

两相中金属元素分布的差异可以用DFT计算得到的过渡金属碳化物中各金属元素间的相互作用系数来解释。相互作用系数Ω_Ti-Zr、Ω_Ti-V、Ω_Ti-Nb、Ω_Zr-V、Ω_Zr-Nb、Ω_V-Nb的值分别为55.178 kJ/mol、1.566 kJ/mol、-9.708 kJ/mol、124.301 kJ/mol、3.927 kJ/mol、38.134 kJ/mol。其数值越低，表示形成固溶体的能力越强，而Zr元素与Ti、V元素相互作用系数过大，难以形成固溶体，因此导致分解后的两相在元素含量上表现为贫Zr相和富Zr相。

贫Zr相和富Zr相界面处存在半共格取向关系。半共格界面的高分辨界面显示，由于两侧晶格失配，两相界面处存在明显的衬度对比。半共格界面处存在明显的刃型位错，导致界面处的应变集中。而这些刃型位错的存在可以调整晶格失配。

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图2. 2400℃烧结(TiZrVNb)C_0.9陶瓷的TEM分析，表明富Zr相与贫Zr相存在取向一致的半共格界面，且界面处存在大量的刃型位错。

半共格界面较高的位错密度和应变集中可以有效阻止位错的滑移和生长，在与晶粒细化协同的作用下对强硬化起着重要作用。在2300℃烧结的(TiZrVNb)C_0.9样品获得了最佳的综合力学性能，其维氏硬度为27.9GPa，抗弯强度为473MPa，断裂韧性为3.1 MPa·m^1/2。该结果表明，通过相分解获得的复相多组元碳化物陶瓷在硬度和强度方面具有明显的优势。该工作为多组元碳化物陶瓷的微观结构演变设计、力学性能优化提供了重要的思路。

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图3. 本工作样品与其他单相高熵碳化物陶瓷维氏硬度与抗弯强度的性能对比。

4、作者及研究团队简介

陈磊（通讯作者）

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哈尔滨工业大学材料科学与工程学院副研究员、博士生导师。针对航空航天、核能和特种金属冶炼等极端环境对超高温、抗辐照、耐腐蚀材料迫切需求，长期开展极端环境用新型陶瓷/金属陶瓷材料创制、数据驱动材料智能设计(机器学习)、超高温陶瓷强韧化、碳化物陶瓷抗辐照、耐腐蚀等基础和应用研究。主持国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金、国家部委科技重点实验室基金、中国博士后基金等项目10余项，作为骨干成员参与国家重点研发项目、国家自然科学基金重点项目等国家重点科研项目。在超高温陶瓷的低温致密化与强韧化、多组元碳化物固溶体制备与性能调控、陶瓷抗辐照、耐腐蚀、抗热冲击、抗磨损等研究方向上获省部级科技奖励一、二等奖共3项，授权国家发明专利20余项，发表学术论文70余篇，参与撰写专著1部。

霍思嘉（通讯作者）

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哈尔滨工业大学助理教授/讲师，硕导。主要研究方向为超高温极端苛刻环境用硼化物-碳化物复相陶瓷的反应烧结及综合性能评价，在复相陶瓷高熵化、低温致密化与强韧化、组织结构精细表征、力-热-氧化多场耦合下材料失效分析等方面开展了系统研究。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后面上资助、省博士后一等资助等6项；骨干参与自然基金面上及重点、国家重点研发计划等9项。相关研究成果发表在J. Adv. Ceram., J. Mater. Sci. Technol., J. Eur. Ceram. Soc., J. Am. Ceram. Soc.等国际知名刊物上30余篇，获授权申请国家发明专利7项。