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。

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。

以高熵合金为黏结相的金属陶瓷研究进展

近20年,许多研究者针对以高熵合金为黏结相的金属陶瓷开展了大量的研究,取得了许多有益的成果。本文系统综述了用作金属陶瓷黏结相的高熵合金制备方式,以及高熵合金黏结相金属陶瓷烧结制备技术,评价了烧结温度、烧结时间、碳含量、黏结相成分、黏结相含量等工艺参数对高熵合金黏结相金属陶瓷微观结构、力学性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能的影响,可为高熵合金黏结相金属陶瓷的研究提供参考。

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。

(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。

Al_(x)CoCrFeNi高熵合金黏结剂对Ti(C,N)基金属陶瓷微观结构和高温抗氧化性能的影响

以Al_(x)CoCrFeNi高熵合金(x=0,0.5,1,物质的量比)作为黏结剂,采用低压烧结法制备Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了Al_(x)CoCrFeNi高熵合金黏结剂对金属陶瓷微观结构和高温抗氧化性能的影响。结果表明:所制备的金属陶瓷均主要由面心立方(FCC)结构的Ti(C,N)相和FCC结构的高熵合金黏结相组成,在高温烧结时Al_(0.5)CoCrFeNi和AlCoCrFeNi高熵合金发生了体心立方(BCC)结构相到FCC结构相的转变;金属陶瓷中均形成了典型的芯-环结构,以AlCoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷中含有较多孔隙;在1000℃氧化6 h后,以CoCrFeNi、Al_(0.5)CoCrFeNi和AlCoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷的单位面积质量增加量分别为3.58,2.95,2.81 mg·cm^(-2),以Al-CoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷具有最优的高温抗氧化性能。

SiC 晶须增强高熵合金黏结Ti(C,N)金属陶瓷的性能研究

为改善高熵合金黏结金属陶瓷抗弯强度低的缺点,在Al0.1CoCrFeNiV0.1黏结Ti(C,N)金属陶瓷中加入SiC晶须,研究SiC晶须对金属陶瓷物相、显微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明:少量SiC晶须的加入能促进碳化物固溶和细化Ti(C,N)晶粒,但加入量过大会导致固溶体成团。w(SiC)=1%时,金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性显著提高,抗弯强度的提高率达到21.4%;在摩擦过程中,金属陶瓷表面会形成连续光滑的摩擦膜,摩擦因数低且稳定,磨损率接近10-6数量级。

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。

异质结构Ti(C,N)-(Fe)CoCrNi基金属陶瓷及其电化学腐蚀行为

采用(Fe)CoCrNi高/中熵合金雾化粉末原料,制备Ti(C_(0.5),N_(0.5))-20%WC-8%TaC-5%Mo_(2)C-22%FeCoCrNi(A)和Ti(C_(0.5),N_(0.5))-20%WC-8%TaC-5%Mo_(2)C-22%CoCrNi(B)金属陶瓷,采用具有相同黏结金属体积分数的Ti(C_(0.5),N_(0.5))-20%WC-8%TaC-5%Mo_(2)C-12%Co-12%Ni(C)金属陶瓷作为对比合金。电化学实验结果表明,尽管金属陶瓷A和B中存在脱碳相(η相)和微观结构均质性较差等问题,在H_(2)SO_(4)(pH=1)、Na_(2)SO_(4)(pH=7)和NaOH(pH=13)溶液中,相较于无微观组织结构缺陷的金属陶瓷C,金属陶瓷A和B在3种介质中平均自腐蚀电流密度J_(corr)分别降低33%和88%,平均电荷转移电阻Rct分别提高97%和219%,微观组织结构缺陷不影响其耐蚀性改善;在H_(2)SO_(4)中,金属陶瓷B的J_(corr)降低89%,Rct提高750%,CoCrNi中熵合金黏结金属能显著改善金属陶瓷在强腐蚀性介质中的耐蚀性。从高、中熵合金本征特性,合金体系润湿性等视角分析了金属陶瓷A和B中η相形成伴随的异质结构形成机理。

Ti(C,N)基金属陶瓷中过渡族金属碳化物添加剂的研究进展

简述了Ti(C,N)金属陶瓷的典型结构,着重介绍了过渡族金属碳化物添加剂(如纳米TiC/TiN、Mo2C、WC、TaC、NbC、VC、Cr3C2等)对Ti(C,N)金属陶瓷材料微观结构和力学性能的影响。指出通过合理添加金属碳化物添加剂,可望制备出综合性能优异的Ti(C,N)金属陶瓷。

高熵碳氮化物陶瓷的研究现状及应用展望

高熵碳氮化物陶瓷作为一种兼具多阳离子和阴离子亚晶格结构的新型材料,展现出优异的力学性能,同时具有良好的高温抗氧化性和耐烧蚀性,被认为是较有应用前景的一种新型切削刀具材料。本文从高熵碳氮化物陶瓷的结构特征出发,综述了高熵过渡金属碳氮化物陶瓷新材料目前在粉体合成、烧结成型制备工艺、力学性能以及高温性能等多方面的研究现状,对未来可能的发展方向和应用前景进行了分析和展望。

磁性可循环高熵金属氧化物催化剂用于活化氧气催化氧化脱硫

燃油中的含硫化合物燃烧会导致酸雨、雾霾等环境问题,因此需要降低燃油中硫化物浓度.但是,目前工业上采用的加氢脱硫(HDS)技术在脱除芳香硫化物时需要更高的温度、压力和氢耗,不利于碳减排(生产1吨H2排放10–20吨CO_(2)),因此亟需开发非HDS工艺.在各种非HDS技术中,以O_(2)为氧化剂的氧化脱硫(ODS)技术由于具有对芳香族硫化物脱除性能高、成本低、反应条件温和等优点,而受到广泛关注.在ODS过程中,催化剂的设计是关键之一.研究发现,金属氧化物具有较好的活化O_(2)性能,但是传统金属氧化物存在活性位点有限、分离回收较难等不足.近年来,人们发现,高熵金属氧化物在以O_(2)为氧化剂的催化氧化反应中表现出较好的催化性能,但如何进一步提升其循环使用性能,是目前高熵金属氧化物在ODS中应用所面临的挑战.为解决上述问题,本文通过组分设计在高熵金属氧化物催化剂中引入高催化活性组分和磁性元素,再采用机械化学球磨辅助高温煅烧策略,构筑了一类新型磁性高熵金属氧化物催化剂(CoCrFeMnNiO_(x),HEMO),并用于活化O_(2)催化氧化脱除燃油中芳香族硫化物.实验发现,900℃煅烧制得的HEMO-900催化剂性能最优.催化剂的结构表征结果表明,通过球磨辅助策略能够降低高熵结构的形成温度.进一步研究表明,高熵结构不仅能够提升催化活性组分的分散度,而且有助于活性组分的电荷调控,从而显著增强了HEMO-900对O_(2)分子的活化能力.将所制备的HEMO-900催化剂用于以O_(2)为氧化剂的燃油氧化脱硫体系中,能够获得较好的脱硫性能,在最优条件下能够获得96.9%的脱硫率(硫化物浓度降低至0.001%以下).此外,HEMO-900催化剂能够高效氧化脱除燃油中不同种类芳香族硫化合物,拓宽了其在不同类型燃油深度脱硫中的应用.进一步分析发现,HEMO-900催化剂可以将燃油中二苯并噻吩定向氧化为二苯并噻吩砜.同时,HEMO-900催化剂对真实油品中的硫化物也表现出较好的脱除性能.此外,HEMO-900催化剂还有较好的磁性循环使用性能:通过外加磁场,可以快速将HEMO-900催化剂与燃油相分离,该性能使得催化剂能够在连续反应过程中被高效回收和重复利用.本研究中,HEMO-900催化剂在5次循环使用后,其ODS活性仍达到91.1%综上所述,本文通过机械化学球磨辅助高温煅烧法成功合成了一种可磁性回收的高熵金属氧化物催化剂,实验发现了机械球磨辅助能够显著降低高熵结构的形成温度.设计制得的催化剂兼具较好的活化O_(2)催化燃油氧化脱硫性能和可磁性分离回收的特点.通过设计该类可磁性分离的高熵金属氧化物催化剂,不仅为实现温和条件下燃油深度脱硫提供新的选择,而且为其他多相催化氧化反应催化剂设计提供了新思路.

C/C复合材料高熵氧化物涂层抗烧蚀性能

新一代高超声速飞行器热端部件服役温度不断提高,对表面防护涂层的相稳定性和抗烧蚀性能提出了更高的要求。本工作针对传统过渡金属氧化物ZrO_(2)、HfO_(2)涂层开展高熵化设计,采用高温固相反应结合超音速大气等离子喷涂制备(Hf_(0.125)Zr_(0.125)Sm_(0.25)Er_(0.25)Y_(0.25))O_(2-δ)(M1R3O)、(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Sm_(0.2)Er_(0.2)Y_(0.2))O_(2-δ)(M2R3O)、(Hf_(0.25)Zr_(0.25)-Sm_(0.167)Er_(0.167)Y_(0.167))O_(2-δ)(M3R3O)三种高熵氧化物涂层,探究稀土组元含量对高熵氧化物涂层的相结构演变规律、相稳定性以及抗烧蚀性能的影响。M2R3O涂层和M3R3O涂层呈现优异的相稳定性和抗烧蚀性能,涂层经热流密度为2.38~2.40 MW/m^(2)的氧–乙炔焰烧蚀后仍保持物相结构稳定,未发生固溶体分解或析出稀土组元。其中M2R3O涂层循环烧蚀180 s后的质量烧蚀率与线烧蚀率分别为0.01 mg/s和–1.16μm/s,相比M1R3O涂层(0.09 mg/s、–1.34μm/s)以及M3R3O涂层(0.02 mg/s、–4.51μm/s),分别降低了88.9%、13.4%以及50.0%、74.3%,表现出最优异的抗烧蚀性能。M2R3O涂层的抗烧蚀性能优异归因于其兼具较高的熔点(>2200℃)和较低的热导率((1.07±0.09)W/(m•K)),使其有效防护内部的SiC过渡层以及C/C复合材料免受氧化损伤,避免了界面SiO_(2)相形成所导致的界面开裂。

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。

TiNbTaZrAl高熵合金黏结剂对Ti(C,N)基金属陶瓷性能的影响

采用机械合金化制备了TiNbTaZrAl难熔高熵合金,加入采用放电等离子法制备的Ti(C,N)基金属陶瓷。借助物相分析和形貌表征优化了温度和压力的制备工艺参数。通过XRD、SEM/EDS、TEM、维氏硬度计等对陶瓷进行表征,研究了不同高熵合金加入量对陶瓷的物相、微观组织及力学性能的影响。。结果表明:相比Co黏结剂,TiNbTaZrAl高熵合金的加入可以促进碳化物的固溶和Ti(C,N)晶粒的细化。高熵合金加入量为7.5%(质量分数)时,陶瓷力学性能最优。在优选温度1600℃和压力30 MPa的工艺参数下,采用高熵合金黏结剂的Ti(C,N)基金属陶瓷的维氏硬度和断裂韧性,分别达到(1960.4±40)MPa和(10.01±0.25)MPa∙m^(1/2),相比采用Co黏结剂的金属陶瓷分别提升了11.68%和9.28%。

黏结相组成对Ti(C,N)基金属陶瓷高温氧化行为的影响

以Co-Ni、Co-Ni-Fe、Co-Ni-RE、Co-Ni-Cr合金和AlCoCrFeNi合金为黏结相制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了这五种金属陶瓷在1 100℃静态空气中的氧化行为,分析了黏结相对其高温氧化行为的影响。结果表明:以前四种合金为黏结相的金属陶瓷的氧化动力学曲线均基本符合扩散过程控制的抛物线规律,且氧化速率常数都是分阶段变化的;以多主元AlCoCrFeNi高熵合金为黏结相则大大提高了Ti(C,N)基金属陶瓷的抗高温氧化性能,这主要归因于黏结相组元中铝元素的活性较强,易于形成较稳定、氧化层致密的,从而使得氧的传输被极大地抑制。

Ti(C,N)/AlCoCrFeNi金属陶瓷的高温抗氧化机理

本文从热力学角度和氧化膜完整性两方面深入研究了Ti(C,N)/AlCoCrFeNi金属陶瓷的高温抗氧化机理。结果表明,多主元AlCoCrFeNi高熵合金的引入对Ti(C,N)基金属陶瓷抗氧化性能的显著提升主要归因于氧化过程中粘结相组元Al、Cr活性较强,倾向于被优先氧化,其形成的AlTiO5和Cr_4WO_6复合氧化膜不仅自身组织致密度高,对基体有完整的覆盖性,且能有效减小氧化膜的生长应力,遏制氧化膜的破裂剥落,使得氧化膜与合金基体结合紧密,从而氧的传输被极大地抑制,有效减缓了氧化进程。

制备条件对金属基高发射率陶瓷涂层的影响

以Fe2O3、Cr2O3、MnO2、MgO四种过渡金属氧化物为主要原料的金属基高发射率陶瓷涂层为研究对象,探讨了材料组分、超声波作用和烧结条件对涂层结构及其红外辐射性能的影响,同时阐述了其影响机理,为进一步加深材料红外辐射机理的研究提供理论支持。

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。