| (VNbTaMoW）系高熵碳化物的设计制备、 物相形成机理 及性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 刘第强 | |
| Thesis Advisor | 孟军虎 |
| 2022-05-18 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 高熵碳化物，反应合成，物相演变，显微结构，力学性能 |
| Abstract | 高熵碳化物具有高熔点、高强度和硬度、优异的热机械性能和良好的抗热震性，可以承受极端开放环境和高负载环境，如：应用于喷气式发动机、高温核反应堆的内衬和超音速飞行器等，在高温结构材料领域具有的重要的应用潜力。基于VB 和VIB 族难熔金属所形成的单相高熵碳化物 (HECs) 因其独特的结构和优异的性能而引起了研究者的广泛关注，正在成为高熵陶瓷探索和发现的重要领域。本论文首先从材料制备的角度出发，以V、Nb、Ta、Mo、W和石墨粉末为原料，采用原位反应方法制备了系列高熵碳化物，系统地分析了其物相组成、微观组织结构和形成机理；并结合相图计算深入探讨了金属元素的选择和碳含量变化对高熵碳化物形成以及微观组织和性能的影响。在此基础上，为了改善高熵碳化物的室温断裂韧性，将自蔓延反应引入到HEC中原位生成了第二相氧化铝，通过调控自蔓延反应过程获得高熵碳化物与氧化铝三维互锁的新型双相陶瓷；自蔓延反应的设计不仅降低了高熵碳化物的合成温度，而且原位引入第二相改善了HEC的力学性能和高温摩擦学性能，因而有望扩展高熵碳化物基复合材料种类及开发新的材料制备方法。本文的主要研究内容和结果如下： 1. 以金属和石墨粉末为原料，利用原位反应方法制备了(VNbTaMoW)C高熵碳化物，使其合成温度从2000℃以上降低到了1800℃。单相(VNbTaMoW)C中各个元素分布均匀，相对密度为97.7%；EBSD分析表明，单相(VNbTaMoW)C晶粒是随机取向。(VNbTaMoW)C高熵碳化物显微硬度随着加载载荷增大而逐渐降低，当加载载荷从4.9 N增大到49 N时，显微硬度从23.8 GPa降低到了19.6 GPa。 2. 利用反应合成法制备了新体系(NbTaMoW)C高熵碳化物并分析了其微观结构。通过对微观结构分析发现(NbTaMoW)C是典型的FCC晶体结构，四种金属元素随机占据阳离子亚晶格格点位置，C占据阴离子亚晶格。 (NbTaMoW)C的平均晶粒尺寸为9 m，抗弯强度388MPa。(NbTaMoW)C的室温变形行为与普通碳化物类似，因此高熵效应对其断裂韧性的影响不明显(3.34 MPa.m1/2)。由于严重的晶格畸变和高浓度点缺陷， (NbTaMoW)C表现出较低的热导率和扩散率，并且随着温度升高，热导率和热扩散率逐渐增大。 3.通过理想固溶体模型的混合熵计算建立了二维空间(VNbTaMoW)0.5Cx体系的完整相图。该模型简化了原子间互扩散过程与温度有关的参数，使相图计算HEC的合成温度低于实验合成温度 1800℃，但该模型准确计算了各个相区的物相组成。根据相图计算并结合实验研究了金属元素的选择对高熵相形成的影响，五种金属元素V、Nb、Ta、Mo、W共可产生5种四金属碳化物和10种三金属碳化物。其中，只有4种四金属碳化物和6种三金属碳化物形成了高熵相。四金属高熵碳化物的形成取决于每种碳化物对金属元素的选择(主要是Ta元素的选择)，合成过程中形成TaC宿主为其他元素的扩散提供了原始晶格，使其具有较高的单相形成倾向。而单相三金属碳化物形成的主要影响因素是混合熵和原子尺寸差。 4.基于(VNbTaMoW)0.5Cx相图，系统研究了碳含量对(VNbTaMoW)C物相形成、微观结构和性能的影响。形成单相高熵碳化物的临界碳化学计量比为0.35，当碳化学计量比从0.35增加到0.5时，(VNbTaMoW)0.5Cx的硬度和抗弯强度先增大达到最大值，后降低。(VNbTaMoW)0.5C0.4的纳米硬度和抗弯强度最大分别为48 GPa和410 GPa，与(VNbTaMoW)0.5C0.5的纳米硬度和抗弯强度相比分别提高了85%和38%。力学性能增强是由于多阴离子(C和C空位)点缺陷强化效应和金属-C之间化学键类型由主要的金属键转变为共价键。随碳含量增加，(VNbTaMoW)0.5Cx的热导率先降低后增大，低碳含量(VNbTaMoW)0.5Cx中金属元素处于饱和状态，原子键型主要以金属键为主，导热的主体传热介质是电子导热；高碳含量的(VNbTaMoW)0.5Cx以共价键为主，传热载体是声子。 5.通过原位放热反应设计制备了Al2O3/(NbTaMoW)C复合材料，为探索高熵碳化物基复合材料提供了新思路。以Nb、Ta、W、MoO3、Al和石墨为原料，铝热剂Al+MoO3反应放热不仅为高熵碳化物的形成提供了额外能量，使其合成温度从1800℃降低到了1600℃，并且原位形成了熔融态的Al2O3包裹 HEC 形成了三维互锁的新型双相陶瓷。Al2O3/(NbTaMoW)C复合材料的相对密度为98.5%，Al2O3均匀分布在高熵相基体中，两相之间形成了非共格界面，界面结合强度适中，有利于改善复合材料的力学性能。与(NbTaMoW)C相比，复合材料的力学性能明显提高，抗弯强度为530 MPa，断裂韧性4.5 MPa·m1/2。力学性能改善主要由于第二相强化和复合材料的互锁结构在材料断裂过程中通过裂纹偏转释放裂纹尖端的应力。此外，Al2O3加入改善了(NbTaMoW)C的高温摩擦性能，明显降低了高温氧化磨损。 |
| Other Abstract | 无 |
| Pages | 150 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30077 |
| Collection | 中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 刘第强. (VNbTaMoW）系高熵碳化物的设计制备、 物相形成机理 及性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2022. |
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