高熵碳化物超高温陶瓷的研究进展

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物(HECs)陶瓷作为近年来发展迅速的一类新型材料,兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性,在极端服役环境中具有广阔的应用前景,因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有一种或两种过渡金属元素的传统超高温碳化物陶瓷,HECs综合性能有所提升,且具有更强的组成和性能可设计性,因此具备较大的发展潜力。经过对HECs的不断探索,研究人员获得了许多有趣的结果,开发了多种HECs的制备方法,对HECs的显微结构和性能的认识也更加深入。本文综述了HECs的基本理论以及从实验过程中获得的规律;对HECs粉体、HECs块体、HECs涂层及薄膜,以及纤维增强HECs基复合材料的制备方法进行了梳理和归纳;并对HECs的力学、热学等性能,尤其是与高温应用相关的抗氧化、抗烧蚀性能的研究进展进行了综述和讨论。最后,针对HECs研究中有待进一步完善的科学问题,对HECs的未来发展提出了展望。

高熵碳化物陶瓷第一性原理计算研究进展与展望

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。

(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

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。

高熵碳化物/硼化物陶瓷的研究现状及展望

高熵陶瓷通常是指由5种或5种以上陶瓷组元形成的多组元固溶体,具有极高的硬度和模量、较低的热导率及良好的抗氧化性等优良性能,在航空航天、高速切削工具等极端使役环境下展现出巨大的发展潜力。然而,目前高熵陶瓷的研究尚处于起步阶段,理论判据及成分设计理论的完善、固溶耦合机制的建立、制备方法的优化、高通量计算的应用都是未来亟需研究的方向。本文总结和分析了高熵陶瓷的研究现状,主要介绍了高熵碳化物/硼化物陶瓷的体系设计、制备工艺及性能特点,并对其发展方向进行了分析和展望。

高熵过渡金属硼化物陶瓷的研究进展

高熵过渡金属硼化物陶瓷作为一种重要的高熵陶瓷,具有超高的硬度、优异抗氧化性能和电磁屏蔽与吸波性能,在航空航天、汽车工业、精密加工等领域具有潜在的广阔应用前景。基于近年相关研究,从理论设计、材料制备和性能研究三个方面综述了高熵过渡金属硼化物陶瓷的相关研究结果,并展望了高熵过渡金属硼化物陶瓷的未来前景和发展方向。

热障涂层潜在高熵陶瓷材料的研究进展

提升高温腐蚀部件的隔热耐蚀性对提高石油化工设备的使用寿命有重要意义。热障涂层是提升高温部件隔热耐蚀性能的关键技术。现役热障涂层陶瓷层材料已达到高温服役极限,急需能够耐极限高温的陶瓷材料。作为近些年开发的高稳定材料,高熵陶瓷具有高温稳定性、低热导率等优点,是替换现有陶瓷涂层材料的潜在材料之一。综述了高熵碳化物陶瓷、高熵硼化物陶瓷、高熵氧化物陶瓷、高熵氮化物陶瓷以及高熵稀土系列陶瓷的研究现状。分别从制备方法以及相应的物理化学性质和晶体结构等方面介绍了各种高熵陶瓷的力学性能和物理化学性能。同时指出,对新型的高熵陶瓷材料,通过寻求更加合理的摩尔配比和精准的元素搭配来优化高熵系统对提升高熵陶瓷材料的耐高温性、高温稳定性和抗氧化性具有指导意义,有望作为未来新型热障涂层材料。最后展望了高熵陶瓷的发展方向。

(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Mo_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)高熵陶瓷的相结构及电化学性能

硼化物高熵陶瓷因其优异的力学性能、良好的抗氧化性以及电化学性能,而具有广阔的应用前景。采用硼/碳热还原法结合放电等离子烧结技术制备了(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Mo_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)高熵陶瓷,并对物相组成和电化学性能进行研究。结果表明,在1600℃、1650℃、1700℃还原得到的(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Mo_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)高熵陶瓷粉体和经2000℃烧结后的块体均未呈现单一六方结构的高熵相,烧结体中含有少量的(Hf,Zr)B2和(Hf,Zr)O_(2)次生相弥散分布于高熵相之间。随着还原温度的升高,粉体的结晶度越好。(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Mo_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)的致密度为96%,其硬度为(23.4±1.2)GPa。此外,(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Mo_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)表现出较好的能量存储特性和抗腐蚀性能,当其在3.5 wt.%NaCl中,且电流密度为0.1 mA·cm^(−2)时,充/放电比电容可达50.29/44.50 F·cm^(−2),库伦效率可达87%以上,满足作为超级电容器电极材料的要求。

高熵过渡金属碳化物陶瓷的研究进展

高熵陶瓷作为新型材料,较大的构型熵赋予其独特的性能,其中高熵过渡金属碳化物有望成为高超声速飞行器热防护系统的备选材料。相比于单组元碳化物陶瓷,高熵化的单相陶瓷在综合性能上有较大地提高。目前,高熵过渡金属碳化物陶瓷的研究还处于初始阶段,关于高熵过渡金属碳化物的成分设计和理论分析还缺少足够的研究支撑。另外,如何制备高纯度高熵过渡金属碳化物还需要进一步探索。在高熵过渡金属碳化物陶瓷的性能方面,还缺少深入的研究。本文针对高熵陶瓷的理论设计和制备方法展开综述,详细介绍了高熵过渡金属碳化物的力学、热导及抗氧化性能的研究进展,并指出了高熵过渡金属碳化物陶瓷在超高温陶瓷领域存在的科学问题,展望了高熵过渡金属碳化物陶瓷未来的发展方向。

四元高熵碳化物陶瓷的组织和性能研究

以金属氧化物与碳粉作原料,经高能球磨后,采用1850℃放电等离子烧结烧结工艺制备了3种成分的四元高熵碳化物陶瓷(Ti0.25,Nb0.25,Ta0.25,Mo0.25)C、(Ti0.25,Nb0.25,Ta0.25,W0.25)C和(Ti0.25,Nb0.25,Ta0.25,V0.25)C。采用扫描电镜、X射线衍射仪及万能材料试验机等研究了碳化物陶瓷的显微组织、硬度和力学性能。结果表明:3种碳化物陶瓷均为单相FCC结构;含钼陶瓷的晶粒最为细小,气孔也最少;3种陶瓷的实际硬度与采用复合定律计算的理论硬度相一致,即(Ti,Nb,Ta,V)C的硬度最高,(Ti,Nb,Ta,W)C次之,(Ti,Nb,Ta,Mo)C最低。此外,由于其组织未完全致密化且成分不均匀,3种碳化物陶瓷的抗弯强度均低于预期值,有待采取降低烧结升温速率、提高烧结温度等措施来解决这些问题,从而改善陶瓷性能。3种碳化物陶瓷中(Ti,Nb,Ta,W)C陶瓷的综合性能最佳。

高熵硼化物陶瓷研究现状及其在极端环境中的应用前景

随着国内外对地外空间的竞争日益激烈,弹道式导弹鼻锥及载人飞行器返回舱再入大气层、临界空间高超声速飞行器对高性能高温热防护材料需求变得更加迫切。同时由于传统的超高温陶瓷(Ultra-high temperature ceramics,UHTC)的高温物理性能与高温力学性能无法得到良好的兼顾,迫切需要研制能满足结构功能一体化需求的新型UHTC材料匹配日益严苛的极端环境需求。高熵陶瓷作为继高熵合金在金属领域被广泛研究以来高熵材料在陶瓷领域的研究新方向,近五年来得到了国内外学者的广泛关注。本文针对国内外高熵硼化物陶瓷的材料体系、制备方法、物理及力学性能等研究现状进行了梳理归纳,同时针对极端环境下高熵硼化物陶瓷的服役行为及研究方向进行研判。

液相聚合物前驱体法制备高熵碳化物纳米粉体

高熵碳化物陶瓷是近年来发展的新型材料,由于具有高硬度、高模量和低热导率等优异性能而备受关注。液相聚合物前驱体法在陶瓷化过程中可以实现多元素的均匀分散,制备高熵陶瓷具有独特的优势,但是相关报道较少。本研究以金属醇盐为原料,通过可控水解缩合反应制备了金属醇盐共聚物溶液,加入碳源烯丙基酚醛(AN)后得到了澄清的粘稠液相高熵碳化物前驱体(PHEC),在真空下1800℃裂解2 h获得了(Ti,Zr,Hf,Ta)C高熵碳化物陶瓷纳米粉末。通过不同手段对前驱体和陶瓷粉体进行表征,结果表明:裂解温度低于800℃所获得的样品主要为t-ZrO_(2)及氧化物固溶体,1000℃开始发生碳热还原反应形成碳化物固溶体,温度升高至1800℃后转化为高熵碳化物陶瓷;所得陶瓷粉末纯度高,元素分布均匀,颗粒尺寸一致,粒径~100 nm。制备的液相陶瓷前驱体具有高陶瓷产率(28.6 wt%)和低黏度(150 mPa∙s)的特点,在极性溶剂中溶解性良好。所开发的液相前驱体法在制备高熵陶瓷纳米粉体、陶瓷纤维和陶瓷基复合材料领域具有重要应用价值。

高熵陶瓷材料研究进展

高熵陶瓷材料通常是指由5种或以上陶瓷组元形成的多主元固溶体,由于其新奇的"高熵效应"以及优异的性能,近年来已经成为陶瓷领域的研究热点之一。随着高熵陶瓷的研究体系从最初的岩盐型氧化物(MgNiCoCuZn) O扩展到萤石型氧化物、钙钛矿型氧化物、尖晶石型氧化物以及硼化物、碳化物和硅化物等,其特殊的力学、电学、磁学等性能也不断被发掘。基于此,综述了各种高熵陶瓷材料的发展情况,介绍了其结构、制备方法以及性能上的特点,并对高熵陶瓷的发展方向和前景进行了分析和展望。

B_(4)C含量对(Ti_(0.25)Zr_(0.25)Hf_(0.25)Ta_(0.25))B_(2)-B_(4)C陶瓷力学性能及抗氧化性能的影响

新型高熵硼化物陶瓷具有优异的高温稳定性、低热导率等优点,在高温热防护领域具有广阔的应用前景。本研究采用硼/碳热还原法结合热压烧结技术在1900℃下制备了(Ti_(0.25)Zr_(0.25)Hf_(0.25)Ta_(0.25))B_(2)-B_(4)C高熵硼化物陶瓷,并研究了B_(4)C第二相含量对其力学及抗氧化性能的影响规律。结果表明,B_(4)C均匀分布在高熵基体中,有效改善了高熵陶瓷的相对密度和力学性能。当B_(4)C体积分数为20%时,复相陶瓷的抗弯强度、断裂韧性以及维氏硬度均达到最高,分别为(570.0±27.6)MPa、(5.58±0.36)MPa·m^(1/2)和(24.6±1.1)GPa。微观结构分析表明,B_(4)C能够钉扎晶界、细化晶粒,并能够引入裂纹偏转、分支等增韧机制,最终实现复相陶瓷的强化及韧化。此外,利用静态氧化实验,揭示了B_(4)C含量对复相陶瓷800~1400℃抗氧化性能的影响。当B_(4)C体积分数不小于20%时,其氧化生成的玻璃相B_(2)O_(3)能够均匀包裹(Zr,Hf)O_(2)、TiO_(x)及Ta_(2)O_(5)等高熵基体对应的氧化物,从而在陶瓷表面形成均匀致密的氧化层,抑制氧向基体内部扩散,降低氧化层厚度并提升复相陶瓷的抗氧化性能。本工作能够为高熵硼化物陶瓷的力学及抗氧化性能研究提供实验依据和数据支撑。

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

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。

碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响

高熵合金拓宽了复合材料中金属基体的选用范围。本文通过外加碳化物陶瓷颗粒,利用电弧熔炼技术制备Fe_(49.5)Mn_(30)Co_(10)Cr_(10)X_(0.5)(X=B_(4)C、ZrC和TiC)等3种高熵合金复合材料,系统研究3种碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响。研究结果表明:掺杂碳化物陶瓷颗粒均可细化高熵合金基体的晶粒尺寸,稳定fcc相,抑制hcp相形成,其中B_(4)C陶瓷颗粒细化晶粒和稳定fcc相效果最显著。掺杂ZrC和B_(4)C陶瓷颗粒样品,力学性能低于高熵合金基体样品,归因于ZrC和B_(4)C陶瓷颗粒与基体之间的界面结合情况不佳,界面处出现孔洞性缺陷;而掺杂TiC陶瓷颗粒样品,其强韧化效果显著,归因于良好的界面结合、细晶强化、弥散强化及颗粒承载强化等。

多元硼化物陶瓷的研究进展

近年来,由于硼化物具有高强度、高硬度等优良性能,硼化物被广泛应用于耐火材料、核工业、航天航空和切割刀具等领域,硼化物陶瓷成为了世界各国研究的热门和重点。介绍包括二元硼化物、三元硼化物、四元硼化物以及高熵硼化物的陶瓷材料,论述当前多元硼化物陶瓷的研究进展,总结硼化物的结构、性能、制备和应用,概述硼化物陶瓷的发展过程以及多元硼化物在性能方面的优化,并对其在未来的发展与前景进行了展望。

高熵硼化物陶瓷的研究进展

高熵硼化物陶瓷作为高熵陶瓷的一类,因其优异的力学性能和高温稳定性,受到越来越广泛的关注和研究。然而目前还没有针对高熵硼化物陶瓷研究的综述,因此,从高熵硼化物陶瓷的定义出发,概述了第一性原理计算在高熵硼化物研究中,对高熵硼化物材料合成预测以及对性能预测和理解方面的应用,综合评价了各种高熵硼化物陶瓷粉体及块体制备方法的优势和不足,并以力学性能为主,分析了高熵硼化物陶瓷的各类物化性能及其影响因素和机理,最后对理论计算,制备研究和性能探索等方面存在的不足进行总结,同时对未来可能的研究方向进行了分析和展望。

(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Ti_(0.2)Me_(0.2))B_(2)(Me=V,W)高熵硼化物陶瓷的制备与性能

为了制备性能优异的高熵硼化物陶瓷,通过硼热/碳热还原法与放电等离子烧结技术(SPS)结合制备(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Ti_(0.2)Me_(0.2))B_(2)(Me=V,W)高熵硼化物陶瓷,研究V和W对高熵硼化物陶瓷物相组成、形貌和力学性能的影响。结果表明,在1600℃合成的(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Ti_(0.2)Me_(0.2))B_(2)(Me=V,W)高熵硼化物粉末均未形成单相固溶体,经2000℃烧结后(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)V_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)形成了完全固溶体,但是(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Ti_(0.2)Me_(0.2))B_(2)样品中还检测到WB相。(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)V_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)样品致密度(93.1%)低于(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Ti_(0.2)Me_(0.2))B_(2)(96.7%),但其晶粒尺寸显著小于(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Ti_(0.2)Me_(0.2))B_(2)。(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Ti_(0.2)Me_(0.2))B_(2)具有较高的硬度(24.0 GPa),但断裂韧性低于(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)V_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)(3.32 MPa·m^(1/2))。

高熵硼化物含量对Si_(3)N_(4)陶瓷显微结构与性能的影响

氮化硅(Si_(3)N_(4))陶瓷具有广泛的工业应用潜力,但其硬度和断裂韧性往往难以兼顾,这会限制到Si_(3)N_(4)陶瓷的应用。为了获得兼具高硬度和高韧性的Si_(3)N_(4)陶瓷,以高熵硼化物(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Cr_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)为添加剂,使用放电等离子烧结法在1600℃制备了Si_(3)N_(4)陶瓷材料。研究了(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Cr_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)对Si_(3)N_(4)陶瓷的相组合、致密度、显微组织和力学性能的影响。结果表明:与未添加(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Cr_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)的Si_(3)N_(4)陶瓷相比,在较低的烧结温度下(1600℃),仅添加1.0%(体积分数)的(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Ta_(0.2)Cr_(0.2)Ti_(0.2))B_(2)就能将β-Si_(3)N_(4)的质量分数从38%提高到53%,获得双峰显微结构。因而,Si_(3)N_(4)基陶瓷的断裂韧性从(5.4±0.3)MPa·m^(1/2)提升到(6.9±0.2)MPa·m^(1/2),而硬度维持在(20.2±0.2)GPa。随着高熵硼化物的含量增加到2.5%和5.0%,Si_(3)N_(4)基陶瓷致密度降低且相变进一步增加,导致硬度降低。

反应合成非氧化物陶瓷材料

反应合成是陶瓷材料的重要制备工艺之一,在制备块体陶瓷、纤维增强复合材料基体、复合材料的陶瓷防护涂层等方面具有广泛的应用。本文简要介绍了作者多年来在反应合成复相陶瓷方面的研究结果,包括硼化钛体系、硼化锆体系、碳化物体系、氮化硼体系以及最近发展起来的高熵陶瓷体系。不同的反应体系包含有化学性质完全不同的反应物、化学反应中可能存在较大的放热现象、反应物存在分解后再反应等中间过程、产物中可能存在气相副产物等不同特征,后续致密化过程与前期反应过程的控制具有复杂多样的密切关系,所以深入研究前期反应过程和后期致密化及显微结构形成机理对反应合成具备特殊显微结构和性能的陶瓷材料具有重要的意义。高温化学反应不仅可以用于合成陶瓷材料,在采用非反应合成的常规工艺制备陶瓷材料特别是非氧化物陶瓷的过程中也普遍存在,了解这些化学反应进行的条件有利于设计合理的工艺制度,从而获得性能优越的材料。