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高熵碳化物陶瓷第一性原理计算研究进展与展望

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智能安全

智能安全 2024年第2期3卷 87-95页

作者：郑博远吴一栋惠希东北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083

过渡族难熔金属元素和碳组成的高熵碳化物陶瓷因具有优异的耐高温性能,在高熵材料领域引起了关注。由于涉及复杂的成分范围和服役环境,利用传统试错法研发高熵碳化物陶瓷周期长且成本高,而采用第一性原理计算方法可以准确高效地预测高... 详细信息

过渡族难熔金属元素和碳组成的高熵碳化物陶瓷因具有优异的耐高温性能,在高熵材料领域引起了关注。由于涉及复杂的成分范围和服役环境,利用传统试错法研发高熵碳化物陶瓷周期长且成本高,而采用第一性原理计算方法可以准确高效地预测高熵碳化物陶瓷的相稳定性、弹性性能、电子结构和热力学等性质。本文对第一性原理计算方法进行了简述,并对第一性原理计算在高熵碳化物陶瓷研究中的应用成果进行了综述,最后展望了第一性原理计算在高熵碳化物陶瓷领域的发展方向。

关键词：高熵碳化物陶瓷第一性原理计算相稳定性弹性性能热力学性质

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高熵碳化物陶瓷复合材料的增韧、自润滑及其摩擦学性能研究

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高熵碳化物陶瓷复合材料的增韧、自润滑及其摩擦学性能研究

作者：陈文邦兰州理工大学

学位级别：硕士

高熵碳化物(High-entropy carbide,简称HEC)陶瓷具有传统金属或合金材料不可比拟的高硬度、耐磨损、抗氧化和高温稳定性等特性,被认为是科技前沿领域作为关键部件和满足极端工况要求的最具发展潜力的新型结构材料之一。然而,受其本征脆... 详细信息

高熵碳化物(High-entropy carbide,简称HEC)陶瓷具有传统金属或合金材料不可比拟的高硬度、耐磨损、抗氧化和高温稳定性等特性,被认为是科技前沿领域作为关键部件和满足极端工况要求的最具发展潜力的新型结构材料之一。然而,受其本征脆性和较差的摩擦学性能的限制,HEC陶瓷在结构材料领域的广泛应用依然任重道远。本论文在新颖的高熵设计理念的启发下,通过对(Hf-Mo-Nb-Ta-Ti)C高熵碳化物陶瓷自身组分的调控实现了单相陶瓷的自润滑。同时,基于陶瓷的增韧和自润滑为设计依据,通过添加第二相实现了(HfMoNbTaTi)C陶瓷基复合材料的增韧和宽温域的自润滑。系统研究了HEC陶瓷及其复合材料的组成、微观结构、温度、力学性能和摩擦学性能之间的相互关联,揭示了单相结构的形成机制和摩擦磨损机制。此外,采用分子动力学方法建立了镍基Ag膜复合材料的纳米摩擦模型,旨在揭示原子尺度下固体润滑剂Ag对基体材料的润滑行为。获得了以下主要结论:(1)采用放电等离子烧结法制备了(Hf-Mo-Nb-Ta-Ti)C单相陶瓷。研究表明,HEC陶瓷在300°C时的摩擦系数达到了1.1,但其具有出色的抗磨损性能,磨损率低至10 mm/Nm,这主要归因于HEC陶瓷良好的力学性能。此外,由于严重的氧化磨损,HEC陶瓷在900°C时的磨损率高达10 mm/Nm。(2)通过调控高温润滑成分制备了具有不同Mo含量的(HfMoNbTaTi)C系单相自润滑陶瓷。研究表明,单相结构的形成机制归因于Mo含量的增加导致的碳空位增加。同时,HEC陶瓷的硬度随着Mo添加量的增加而增加,尤其含20 wt%Mo的试样其硬度达到了21.63±0.61 GPa,这归因于细晶粒的强化。此外,Mo含量的增加显著改善了陶瓷在高温下的摩擦学性能,特别在900°C时,含20 wt%Mo的试样其平均摩擦系数低至0.6,磨损率降低了一个数量级。结果表明,自润滑机制是摩擦化学反应生成的具有润滑性的摩擦膜。(3)通过调控Mo含量并掺杂Ag粉,设计制备了一种宽温域下具有高韧-自润滑的HEC陶瓷基复合材料。研究表明,HEC陶瓷的断裂韧性随着Ag添加量的增加而增加,掺杂了10 wt%Ag的试样断裂韧性最高,室温下达到4.71±0.25 MPa·m,其增韧机制是裂纹的偏折和桥联。但由于Ag对基体的软化作用,复合材料的硬度降低。此外,中低温下(25～600°C)掺Ag的HEC陶瓷复合材料的摩擦学性能得到显著改善,特别是掺杂10 wt%Ag的试样在300°C时表现出优异的摩擦学性能,摩擦系数低至0.46,相较于纯的HEC陶瓷降低了58.2%,磨损率低至1.93×10 mm/Nm,这是所有试样在任何温度下最低的磨损率。(4)采用分子动力学方法研究了镍基Ag膜复合材料的纳米摩擦行为。结果表明,首次摩擦Ag膜表面较差的力学性能与大量的磨屑堆积有关。二次摩擦形成的具有低剪切强度的滑移通道有利于Ag膜表面摩擦系数的降低。同时,Ag原子在两相界面处的迁移主要依靠磨球的反复摩擦,并随着迁移原子数量的增加,镍基体表面的摩擦系数降低。此外,Ag膜内部缺陷的延伸和原子位移受到两相界面的阻碍。随着摩擦的进行,靠近摩擦区的Ag膜内部缺陷逐渐从本征堆垛层错演化为水平堆垛层错,这归因于Ag原子的水平逐层运动。

关键词：高熵碳化物陶瓷复合材料陶瓷增韧摩擦学性能分子动力学

高熵碳化物陶瓷与Zr合金连接工艺及氧化行为研究

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高熵碳化物陶瓷与Zr合金连接工艺及氧化行为研究

作者：许志泉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高熵碳化物陶瓷作为一种新颖的陶瓷材料，相较于单组元金属碳化物陶瓷，高熵碳化物陶瓷具备更有优势的抗氧化、抗辐照及强韧性等综合性能，在核电领域具有巨大的应用潜力。将高熵碳化物陶瓷与Zr合金相结合，一方面可以解决Zr合金在高温... 详细信息

高熵碳化物陶瓷作为一种新颖的陶瓷材料，相较于单组元金属碳化物陶瓷，高熵碳化物陶瓷具备更有优势的抗氧化、抗辐照及强韧性等综合性能，在核电领域具有巨大的应用潜力。将高熵碳化物陶瓷与Zr合金相结合，一方面可以解决Zr合金在高温下与水蒸气反应被氧化而失效的问题，另一方面可以克服高熵陶瓷塑性及可加工性差的缺点，扩大陶瓷在核反应堆中的应用范围。本课题基于上述背景，制备了抗氧化性能强的高熵碳化物陶瓷(TiZrNbTaCr)C，并使用钎焊技术将(TiZrNbTaCr)C和Zr-4合金进行连接。通过实验的方法，明晰了高熵陶瓷复杂的氧化行为，揭示了(TiZrNbTaCr)C陶瓷的氧化机理。分别采用BNi-2钎料和Ni中间层对(TiZrNbTaCr)C陶瓷和Zr-4合金进行连接，系统研究了连接工艺参数对接头组织和性能的影响，揭示了接头的连接机理。为了探究接头的抗氧化性能，对接头进行高温氧化试验，探究了氧化后接头的力学性能以及微观组织的变化，最终实现了Zr合金和(TiZrNbTaCr)C陶瓷的可靠连接。　　设计制备了(TiZrNbTaCr)C高熵碳化物陶瓷，揭示了(TiZrNbTaCr)C陶瓷的氧化机理。试验结果表明，陶瓷在烧结温度1750~1900℃之间均得到了单一岩盐相高熵碳化物陶瓷，在 1850℃/10 min/50 MPa下陶瓷剪切强度最高为 283 MPa。探究了(TiZrNbTaCr)C陶瓷在800~1100℃下的氧化行为，结果表明在不同氧化温度下产生了不同的氧化产物，在900℃时生成Nb2Zr6O17、CrNbO4及CrTaO4，显著提高了陶瓷的抗氧化性能，氧化层厚度仅为60μm。　　研究了BNi-2钎料连接(TiZrNbTaCr)C陶瓷钎焊工艺，Ni元素向陶瓷内的扩散以及Cr元素与陶瓷的界面反应确保了陶瓷的可靠连接。钎焊条件为1100℃/10 min时得到的接头强度最高为124 MPa。BNi-2钎料钎焊(TiZrNbTaCr)C陶瓷和Zr-4合金试验表明，在陶瓷侧形成的ZrC反应层以及Ni元素向陶瓷中的扩散保证了接头的可靠结合。接头室温及800℃高温剪切强度在1150℃/10 min时最高，分别为105 MPa和91 MPa;对接头在900℃进行2~8 h的氧化试验，接头展现出良好的抗氧化性能，在氧化8 h后，接头强度仍然达到70 MPa。　　通过相图和活性 Zr 元素活度进行分析，设计了 Ni 中间层连接(TiZrNbTaCr)C陶瓷和Zr-4合金。Zr元素在陶瓷表面形成的ZrC反应层以及与Ni中间层形成的Zr-Ni共晶组织保证了陶瓷和Zr合金的良好结合。在1150℃/10 min时,接头室温及800℃高温剪切强度最高，分别为118 MPa和109 MPa;对接头进行900℃/4 h的氧化试验后，Ni中间层连接的接头展现出良好的抗氧化性能，接头强度仍然达到106 MPa，为原始接头强度的90%。

关键词：锆合金高熵碳化物陶瓷连接工艺抗氧化性力学性能微观组织

组分对高熵碳化物陶瓷相组成与力学性能的影响

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组分对高熵碳化物陶瓷相组成与力学性能的影响

作者：肖勇东华大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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(TiZrHfNbTa)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 O、Zr O、HfO、NbO、TaO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(TiHfNbTa)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。

关键词：高熵碳化物陶瓷组分设计相组成力学性能

(NbTaZr)C系高熵碳化物陶瓷的力学性能与氧化行为研究

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(NbTaZr)C系高熵碳化物陶瓷的力学性能与氧化行为研究

作者：王哲湖南大学

学位级别：硕士

高熵碳化物陶瓷（HECC）是一类新型碳化物陶瓷材料,具有高硬度、高抗氧化性和低热导率等性能优势,未来有望在航空航天等极端环境下使用。现有的大量工作主要针对单个成分的HECC材料展开研究,受制备方法和工艺参数等多重变量的综合影响,... 详细信息

高熵碳化物陶瓷（HECC）是一类新型碳化物陶瓷材料,具有高硬度、高抗氧化性和低热导率等性能优势,未来有望在航空航天等极端环境下使用。现有的大量工作主要针对单个成分的HECC材料展开研究,受制备方法和工艺参数等多重变量的综合影响,难以从相关研究中独立出金属占位元素类型对HECC的力学性能及抗氧化性的影响。针对这一难题,本文首先在（NbTaZr）C基础上进行Hf、Ti、W元素的单独添加及Hf、W的复合添加,通过保持制备及加工参数的完全一致,系统研究金属占位元素类型对四种（NbTaZr）C系高熵陶瓷力学性能的影响。其中,利用XRD、SEM、TEM等手段表征HECCs的相组成和微观组织特性;通过硬度、弹性模量和断裂韧性等力学性能测试,结合密度泛函理论（DFT）计算晶格畸变和电子结构信息,揭示金属占位元素类型对（NbTaZr）C系高熵陶瓷力学性能的影响机制。随后,对（NbTaZr）C系高熵陶瓷在800-1000℃下进行了一系列氧化中断实验,对比分析了成分体系及氧化条件对HECC高温氧化行为的影响,并表征了氧化产物的物相组成、微观形貌及元素分布特征。本文的主要结论如下:（1）对（NbTaZr）C系高熵碳化物陶瓷进行放电等离子烧结,在2200℃保温10min即可获得单相岩盐结构的高致密度块体。其中金属占位元素类型对弹性模量、硬度或断裂韧性等的影响主要归结为晶格畸变和电子结构的差异。例如,W元素的添加会导致严重的晶格畸变,并导致体系稳定性和弹性模量的降低。（2）HECCs的硬度和断裂韧性取决于金属占位元素类型和数量的协同作用。在（NbTaZr）C中单独添加W或Hf元素均可提高断裂韧性,但复合添加W和Hf元素后断裂韧性却低于四元碳化物（NbTaZrHf）C和（NbTaZrW）C。其中,（NbTaZrW）C表现出硬度和断裂韧性的最佳组合。（3）对（NbTaZr）C系高熵碳化物陶瓷进行800-1000℃下的高温氧化实验,其氧化行为均遵循抛物线规律,且最终氧化完成后元素仍保持均匀分布。另外,氧化动力学主要由O的内扩散控制,且氧分压变化造成氧化层孔洞沿厚度的不均匀分布。不同成分体系及氧化温度下的氧化产物存在差异,其中温度升高使得氧化产物AMO（A=Nb,Ta;M=Zr,Hf）增多,且氧化层的致密性加强。（4）(NbTaZr)C系高熵碳化物陶瓷的高温抗氧化性与成分体系和氧化条件均密切相关。其中,（NbTaZrTi）C在800℃氧化生成的亚氧化钛使其具有最佳的低温抗氧化性。另外,（NbTaZrHf）C的低温粉化现象导致其低温抗氧化性最差,但高温条件下氧化层的迅速致密带来抗氧化性的大幅提升。

关键词：高熵碳化物陶瓷微观结构力学性能氧化行为

(Si_(0.2)Ti_(0.2)Nb_(0.2)Ta_(0.2)V_(0.2))C高熵陶瓷的低温制备及吸波性能

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材料导报 2024年第3期38卷 42-47页

作者：张昊黄宗玥张妍彬魏剑西安建筑科技大学材料科学与工程学院西安710055

寻求具有良好耐高温及力学性能的新型陶瓷材料是吸波材料领域的研究热点之一。高熵碳化物陶瓷具有高温热稳定性及抗氧化性好等优点,但合成温度高且吸波性能研究较少,限制了其在高温吸波材料领域的应用。本工作采用熔盐法合成了多晶岩盐... 详细信息

寻求具有良好耐高温及力学性能的新型陶瓷材料是吸波材料领域的研究热点之一。高熵碳化物陶瓷具有高温热稳定性及抗氧化性好等优点,但合成温度高且吸波性能研究较少,限制了其在高温吸波材料领域的应用。本工作采用熔盐法合成了多晶岩盐晶型(Si_(0.2)Ti_(0.2)Nb_(0.2)Ta_(0.2)V_(0.2))C高熵碳化物陶瓷,研究了其物相组成、微观形貌及吸波特性。结果表明:随着反应温度的升高,样品的衍射峰逐渐锐化,吸波性能明显提高。当反应温度为1500℃时,3.72 GHz时最低反射损耗达-34.68 dB;与已报道的高熵碳化物陶瓷相比,在相同的有效吸收带宽(2.3 GHz)下,涂层厚度减少了13.3%(1.5 mm降低到1.3 mm),其介电损耗主要来源于极化损耗和导电损耗。本工作制备的高熵碳化物陶瓷可以为研究制备新型环境适应、耐高温、抗冲击的高性能单相吸波材料提供新途径。

关键词：高熵碳化物陶瓷吸波材料吸波性能介电损耗熔盐法

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在碳化物陶瓷中构筑金属原子层分相共生结构

无机材料学报 2024年

作者：鲍伟超郭晓杰辛晓婷彭湃王新刚刘吉轩张国军许钫钫中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室中国科学院大学材料科学与光电子功能中心东华大学功能材料研究所纤维材料改性国家重点实验室

在保持结构陶瓷高硬度的同时提高其韧性和塑性，可显著拓展其在极端环境中的应用前景，其中微结构设计是一项重要策略。本文报道了在碳化物结构陶瓷中构筑金属单原子层分相共生结构的可行性。该结构不是长程序的单相化合物如MAX相，而... 详细信息

在保持结构陶瓷高硬度的同时提高其韧性和塑性，可显著拓展其在极端环境中的应用前景，其中微结构设计是一项重要策略。本文报道了在碳化物结构陶瓷中构筑金属单原子层分相共生结构的可行性。该结构不是长程序的单相化合物如MAX相，而是一种无周期性的MC-金属单原子层交叉堆叠的复合物。以过渡金属单质、石墨和少量Al为原材料，采用放电等离子体烧结工艺在1900 ℃和30 MPa压力下制备不同组元数的过渡金属碳化物陶瓷，发现只有高熵(TiZrHfNbTa)C组分形成了具有Al原子层分相共生结构的陶瓷。通过纳米至原子尺度的透射电子显微镜和能谱表征，揭示了少量Al单原子层无周期性地嵌入高熵碳化物面心立方结构的{111}面。结合第一性原理计算，发现实现原子层分相共生结构的关键因素不是Al在不同碳化物晶格当中的扩散差异，而是高熵的热力学稳定、晶格畸变和迟滞扩散等效应。本研究发现有助于推动结构陶瓷中原子尺度微结构的设计和调控，从而最终获得硬度-强度-韧性综合力学性能优异的结构陶瓷。

关键词：结构陶瓷高熵碳化物陶瓷金属原子层分相共生结构

高熵(Zr,Hf,Nb,Ta)C微米长方体的制备、吸波性能和抗氧化性研究

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硅酸盐通报 2022年第12期41卷 4432-4443页

作者：李俐于宏林徐文喆耿欣山东硅纳新材料科技有限公司淄博255400 山东理工大学工程陶瓷研究院淄博255030 山东工业陶瓷研究设计院有限公司淄博255035

针对高熵碳化物制备困难,本文采用ZrC、HfC、NbC和TaC粉为原料,Ni粉为熔剂,通过低温无压烧结工艺成功制备出三种不同成分的高熵(Zr, Hf, Nb, Ta)C粉体。结果表明,三种粉体均为微米长方体,且暴露(100)晶面。(Zr_(1/4)Hf_(1/4)Nb_(1/4)Ta_... 详细信息

针对高熵碳化物制备困难,本文采用ZrC、HfC、NbC和TaC粉为原料,Ni粉为熔剂,通过低温无压烧结工艺成功制备出三种不同成分的高熵(Zr, Hf, Nb, Ta)C粉体。结果表明,三种粉体均为微米长方体,且暴露(100)晶面。(Zr_(1/4)Hf_(1/4)Nb_(1/4)Ta_(1/4))C微米长方体因具有高介电常数而展现出优异的吸波性能,在厚度为3.5 mm、频率为6.16 GHz时,最低反射损耗值可达-48.86 dB。高熵(Zr, Hf, Nb, Ta)C微米长方体在800~1 200℃下展示出优异的抗氧化性,且氧化产物均由正交相(Nb_(x)Ta_(1-x))_(2)O_(5)固溶体、单斜相(Zr_(x)Hf_(1-x))O_(2)固溶体和正交相HfO_(2)所组成,与氧化温度和过渡金属的物质的量比无关。Zr、Hf、Nb和Ta的协同作用导致其氧化机制与单组元碳化物截然不同,Hf的存在抑制Nb_(2)O_(5)由正交晶系向单斜晶系转变,还会促使ZrO_(2)在800℃时由四方晶系转变为单斜晶系。此外,Nb和Ta的存在促使HfO_(2)在常压下由单斜晶系转变为四方晶系。

关键词：高熵碳化物陶瓷 (Zr,Hf,Nb,Ta)C 微米长方体吸波性能抗氧化性