【摘 要】
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2004年高熵合金的概念一经提出,立刻引起了材料学领域的巨大兴趣,因高熵效应的存在,材料往往表现出一些优于单组元材料的优异性能,高熵的概念也因此很快被拓展到了其它材料领域。目前在高熵陶瓷领域,过渡族难熔金属的硼化物及碳化物高熵陶瓷由于在力学性能等方面的突出表现成为了研究的热点,综合二者特点的复相高熵陶瓷也因此成为了超高温陶瓷发展的新方向。本文通过高能球磨辅助热压烧结的方法,采用过渡金属化合物作为原
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2004年高熵合金的概念一经提出,立刻引起了材料学领域的巨大兴趣,因高熵效应的存在,材料往往表现出一些优于单组元材料的优异性能,高熵的概念也因此很快被拓展到了其它材料领域。目前在高熵陶瓷领域,过渡族难熔金属的硼化物及碳化物高熵陶瓷由于在力学性能等方面的突出表现成为了研究的热点,综合二者特点的复相高熵陶瓷也因此成为了超高温陶瓷发展的新方向。本文通过高能球磨辅助热压烧结的方法,采用过渡金属化合物作为原料,利用反应&固溶耦合效应(RSSCE)制备了一系列成分不同的硼化物-碳化物双相高熵陶瓷,并对其显微组织和力学性能进行了表征。烧结后陶瓷的致密度均达到97%以上,材料基本致密。且根据XRD图谱,得到的陶瓷均为复相,分别为密排六方的硼化物相和面心立方的碳化物相。对于不同组元数的硼化物与Ti C反应烧结得到的硼化物-碳化物复相陶瓷,组元数对于复相陶瓷的微观组织存在显著影响。当材料体系中的阳离子达到五种时,晶粒得到显著细化,并且硼化物晶粒由等轴状向长板状转变,其硼化物相的晶粒尺寸为1.55±0.76μm,碳化物相的晶粒为1.45±0.49μm。微观组织的改变进一步引起了陶瓷性能的改变。随着组元数的增多,晶格畸变量也随之增加在固溶强化和细晶强化的共同作用下,材料的硬度(~28.83GPa)和抗弯强度(~1017MPa)显著提高。当材料中的阳离子增加至五种时,硼化物相中板状晶的出现使裂纹在扩展过程中易出现偏转或桥联,有效的提高了材料的韧性(~6.58MPa·m1/2)。保持体系中的硼化物组元数为四,改变Ti C的含量,硼化物相晶粒始终保持板条状,且两相的相对含量相差越大,越容易形成板状晶。板状晶的存在使材料的韧性有大幅提高,在此材料体系中,陶瓷的断裂韧性均超过了6.00MPa·m1/2,(Ti,Nb,Zr,Hf,Ta)B2-40mol.%(Ta,Hf,Zr,Nb,Ti)C高熵陶瓷的断裂韧性最高可达7.15±0.76MPa·m1/2,观察陶瓷的断口可以发现复相高熵陶瓷的断裂方式为穿晶加沿晶混合型断裂。采用十种化合物同时参加反应制备复相高熵陶瓷,陶瓷中的离子交换反应程度被削弱,体系中主要发生化合物间的相互固溶,这时陶瓷虽仍为硼化物相和碳化物相复合而成,但微观组织中不再存在板状晶,裂纹扩展过程中很难出现偏转或桥联等增韧机制,因此体系的韧性整体均有所下降,(Ti,Nb,Zr,Hf,Ta)B2-80mol.%(Ta,Hf,Zr,Nb,Ti)C陶瓷的韧性最高,只有4.65±0.39MPa·m1/2。根据能谱结果,五种阳离子在硼化物-碳化物复相高熵陶瓷的分布并不平均,而是有一定的倾向性。硼化物相中的主相为Ti B2,同时固溶少量的其它阳离子,碳化物相中则不存在明显的主相,是一种高熵相。综合来看,无论成分如何变化,Ti元素始终在硼化物相中富集,Ta和Hf元素则倾向于在碳化物相中富集。Nb和Zr元素的分布则与成分有关。比较不同的合成途径制备的复相高熵陶瓷的力学性能,反应&固溶耦合效应(RSSCE)是合成复相高熵陶瓷的最优途径,在2000℃,30MPa的条件下通过热压烧结制备的(Ti,Nb,Zr,Hf,Ta)B2-50mol.%(Ta,Hf,Zr,Nb,Ti)C陶瓷具有最优异的力学性能,其硬度可达28.36GPa,抗弯强度可达1017MPa,断裂韧性可达6.58MPa·m1/2。
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