多组分C陶瓷的相变

发布时间：2024-07-26 17:21:22 栏目：精选百科

导读 近年来，高熵碳化物陶瓷受到广泛关注，成为高熵材料领域的又一研究热点，又称多元碳化物陶瓷。多元碳化物陶瓷既继承了高熵材料由复杂组分带...

近年来，高熵碳化物陶瓷受到广泛关注，成为高熵材料领域的又一研究热点，又称多元碳化物陶瓷。多元碳化物陶瓷既继承了高熵材料由复杂组分带来的特殊性能，又保留了过渡金属碳化物陶瓷作为超高温陶瓷(UHTC)的优点，如熔点高、高温稳定性好、杨氏模量高、硬度高等，因此在航空航天、核工业、机械、冶金等领域有着潜在的应用前景。



中国哈尔滨工业大学王玉金领导的材料科学家团队最近报道了通过调节多组分 (TiZrV x Nb)C 0.8陶瓷中的V含量实现从单相到多相的转变。在这项工作中，通过放电等离子烧结(SPS)在2200 ℃下制备了一系列不同V含量的(TiZrV x Nb)C 0.8 陶瓷。详细研究了由于V含量变化引起的相组成、微观结构演变和力学性能。发现并讨论了由于V含量变化引起的从单相到多相的转变行为。首次在多元碳化物陶瓷中通过原位分解获得具有半共格界面的纳米层状结构，这可以归因于添加V元素增加了晶格畸变和混合焓。具有高位错密度和应变集中的半共格界面对力学性能的提高以及晶粒细化和多相形成有有效的影响。

该团队于 2024 年 5 月 28 日在《先进陶瓷杂志》 上发表了他们的研究成果。

“本研究详细研究了V含量对多元碳化物陶瓷微观结构和力学性能的影响，观察到V含量的增加诱导了由单相到多相的转变行为。我们团队认为，金属元素组成的变化对多元碳化物陶瓷的微观结构和力学性能有显著的影响。与等摩尔多元碳化物陶瓷相比，非等摩尔多元碳化物陶瓷具有更广阔的成分设计和性能优化空间，充分发挥了高熵材料的多元效应。目前，对非等摩尔多元碳化物陶瓷的研究很少，不同金属元素成分差异引起的结构和性能的变化尚不为人所知，有巨大的探索空间，这也是我们未来研究的重要方向。”该研究论文的资深作者、哈尔滨工业大学材料科学与技术学院副研究员陈雷说。

“我们观察到V含量的增加诱导了由单相到多相的转变行为。随着V含量的增加，在(TiZrV 0.15 Nb)C中首次观察到相分解的微观结构演变，这可以视为转变的临界点。这一结果与计算的相图一致性很好，计算得出的相图显示，在2200 ℃时，V含量发生相变的临界点为0.17。这有力地证明了相变是热力学自发的。此外，热处理后出现的表观相分解也从热力学上有力地支持了自发相分解。”陈雷说。

陈雷表示：“晶格畸变(δ)和混合焓(∆HmixΩA-B)是高熵合金和陶瓷单相形成的重要参数，整个体系的晶格畸变和混合焓值随V含量的增加而增大，说明V含量的增加对(TiZrV x Nb)C体系单相固溶体的形成有负面影响，这些结果也可以为相变提供解释。”

(TiZrV 0.15 Nb)C样品中的纳米层片结构表现出相同的取向，考虑到层片结构具有完整的晶界，这种特殊的结构起源于相分解，并继承了母相的晶粒取向，从而得到了富Zr相与贫Zr相相同的晶粒取向，该相分解区域的应变明显高于其他单相区域。随着V含量的增加，该体系更倾向于形成两相碳化物相。在(TiZrV 0.20 Nb)C样品中存在一些取向相同的层片结构，然而当V含量增加到25 mol.%时，富Zr相与贫Zr相几乎没有取向关系，完全形成了两相，晶格中的应变也随之消失。”陈雷说。

“相分解区的应变可以归因于半共格界面处的刃型位错，它可以调节富Zr相和贫Zr相之间的晶格失配，使半共格界面得以维持。这些刃型位错在界面处引起的应变集中呈离散的暗对比形式。除了两相的界面外，在晶粒内部也可以明显观察到位错。较高的位错密度和应变集中度可以抑制位错的生长和滑移，从而有效提高硬度。在富Zr相和贫Zr相的界面处可以清楚地观察到位错堆积，这可以验证高位错密度和应变集中的半共格界面的硬化和强化效果。”陈雷说。

“这些硬化机制也适用于晶粒细小且存在半共格界面的 (TiZrV 0.20 Nb)C 样品。因此，(TiZrV 0.20 Nb)C 样品的硬度 (26.3 GPa)、强度 (369 MPa) 和压痕断裂韧性 (3.1 MPa·m 1/2 ) 均达到最佳机械性能。机械 性能 的 提高可以归因于晶粒细化、具有高位错密度和应变集中的半共格界面。”陈雷说。

作者感谢韩国科学技术院材料科学与工程系 Suk-Joong L. Kang 教授在编辑方面的帮助。同时感谢哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院 Yudong Fu 教授使用 Factsage® 软件进行热力学计算的支持。