高熵过渡金属碳化物陶瓷材料研究
发布时间：2021-09-22 02:24
过渡金属碳化物具有超高硬度、低热导和抗腐蚀等优异的理化性能,在航空航天、核能和高速切削加工等极端环境有着广阔的应用前景。然而,随着航空航天、国防军工等国家重大战略对过渡金属碳化物材料性能要求的不断提高,传统过渡金属碳化物陶瓷材料已经无法满足使用需求。为发展可应用于未来极端服役环境下的新型过渡金属碳化物陶瓷材料,本文借鉴高熵合金设计思想,在国际上率先开展了高熵过渡金属碳化物陶瓷材料系统而深入的研究。采用第一性原理计算的基础上对系列高熵过渡金属碳化物体系形成可能性进行理论分析,且设计并采用热压烧结技术制备了系列高熵过渡金属碳化物,系统表征了材料的相组成、显微结构以及元素均匀性,深入研究了材料的力学性能、热物理性能以及抗氧化行为,揭示了材料的热传导机制、强韧化机制以及抗氧化机理,主要研究内容与结果如下:在结合第一性原理计算对五主元(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C（HEC-1）体系进行形成可能性理论分析的基础上,采用热压烧结技术（2073 K、30 MPa）成功...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
过渡金属及其氧、硼、氮、碳化物的熔点Fig1-1Meltingpointoftransitionmetalandtheiroxides,borides,carbides,nitrides
第一章绪论5（共价-金属-离子混合键）连接构成，而M-C键的强共价键特性，导致其断裂所需能量较大，且它们在晶体中的分布是对称的，进一步提升了破坏TMC晶体结构的难度。图1-2TMC晶体结构示意图Fig1-2Schematicdiagramofcrystalstructureoftransitionmetalcarbideceramic因此，TMC的稳定性极佳，具有极高的熔点、极大的硬度及弹性模量和较低的体扩散系数。此外，TMC具有抗氧化耐烧蚀性能优异、高电导高热导、中子吸收截面小和密度及热膨胀系数小等特点[26]。其中，ZrC的本征热导和电导较高，常用作防氧化抗烧蚀涂层[27]。TaC的高温力学性能非常有特点，它脆性转变温度为1850℃，温度升高至2100℃出现屈服强度的下降，当温度继续上升至2106℃时则展现出显著延性[28]。针对TiC单晶的研究表明，室温下，TiC的弯曲强度约为5.5GPa[29]。出色的性能使得TMC极具研究和应用前景。然而，单相单主元TMC陶瓷烧结条件苛刻、抵抗裂纹扩展能力差等缺点极大程度上限制了TMC的发展及应用[30]。研究表明，无压烧结的情况下，单相单主元TMC的烧结温度往往需要达到2500℃才能使其烧结致密，即使使用热压烧结，烧结温度也往往需要2200℃甚至更高[30]。此外，由于TMC为本征脆性材料，在额外引入增韧机制的情况下，其断裂韧性通常在2~3MPa×m1/2之间，服役可靠性较差。针对上述问题，Yu等
第一章绪论13发现修正后的Hume-Rothery尺寸因子为决定单相固溶体能否形成的主要因素，且发现高熵硼化物的硬度及抗氧化效果优于各单主元硼化物。图1-4高熵过渡金属硼化物的晶胞结构示意图Fig.1-4Schematicillustrationoftheatomicstructureofthehigh-entropymetaldiborides表1-2HEBs的力学性能汇总表Table1-2Mechanicalpropertiesofhigh-entropyborideceramicsNo.SamplesSinteringtemperature[℃]Relativedensity[%]Fracturetoughness[MPa]Vickerhardness[GPa]1(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Hf0.2Ta0.2)B2[91]200092.4N/A17.5±1.22(Ti0.2Zr0.2Mo0.2Hf0.2Ta0.2)B2[91]200092.4N/A19.1±1.83(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2)B2[91]200092.3N/A21.9±1.74(Ti0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2Ta0.2)B2[91]200092.2N/A22.5±1.75(Ti0.2Nb0.2Zr0.2Mo0.2Ta0.2)B2[91]200092.1N/A23.7±1.76(Ti0.2Cr0.2Zr0.2Hf0.2Ta0.2)B2[91]200092.2N/A19.9±2.67(Ti0.2Cr0.2Zr0.2Hf0.2Ta0.2)B2[93]200099.2N/A28.3±1.68(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2)B2[93]200097.7N/A26.3±0.79(Ti0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2Ta0.2)B2[93]200096.3N/A25.9±1.110(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Hf0.2Ta0.2)B2[94]200098.14.06±0.3521.7±1.111(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2)B2[94]200098.53.64±0.3626.3±1.812(Ti0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2Ta0.2)B2[94]2000964.47±0.4027.0±0.4
【参考文献】：
期刊论文
[1](La0.2Ce0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2)2Zr2O7:A novel high-entropy ceramic with low thermal conductivity and sluggish grain growth rate[J]. Zifan Zhao,Huimin Xiang,Fu-Zhi Dai,Zhijian Peng,Yanchun Zhou. Journal of Materials Science & Technology. 2019(11)
[2]超高温陶瓷复合材料的研究进展[J]. 张幸红,胡平,韩杰才,孟松鹤,杜善义. 科学通报. 2015(03)
本文编号：3402948
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
过渡金属及其氧、硼、氮、碳化物的熔点Fig1-1Meltingpointoftransitionmetalandtheiroxides,borides,carbides,nitrides
第一章绪论5（共价-金属-离子混合键）连接构成，而M-C键的强共价键特性，导致其断裂所需能量较大，且它们在晶体中的分布是对称的，进一步提升了破坏TMC晶体结构的难度。图1-2TMC晶体结构示意图Fig1-2Schematicdiagramofcrystalstructureoftransitionmetalcarbideceramic因此，TMC的稳定性极佳，具有极高的熔点、极大的硬度及弹性模量和较低的体扩散系数。此外，TMC具有抗氧化耐烧蚀性能优异、高电导高热导、中子吸收截面小和密度及热膨胀系数小等特点[26]。其中，ZrC的本征热导和电导较高，常用作防氧化抗烧蚀涂层[27]。TaC的高温力学性能非常有特点，它脆性转变温度为1850℃，温度升高至2100℃出现屈服强度的下降，当温度继续上升至2106℃时则展现出显著延性[28]。针对TiC单晶的研究表明，室温下，TiC的弯曲强度约为5.5GPa[29]。出色的性能使得TMC极具研究和应用前景。然而，单相单主元TMC陶瓷烧结条件苛刻、抵抗裂纹扩展能力差等缺点极大程度上限制了TMC的发展及应用[30]。研究表明，无压烧结的情况下，单相单主元TMC的烧结温度往往需要达到2500℃才能使其烧结致密，即使使用热压烧结，烧结温度也往往需要2200℃甚至更高[30]。此外，由于TMC为本征脆性材料，在额外引入增韧机制的情况下，其断裂韧性通常在2~3MPa×m1/2之间，服役可靠性较差。针对上述问题，Yu等
第一章绪论13发现修正后的Hume-Rothery尺寸因子为决定单相固溶体能否形成的主要因素，且发现高熵硼化物的硬度及抗氧化效果优于各单主元硼化物。图1-4高熵过渡金属硼化物的晶胞结构示意图Fig.1-4Schematicillustrationoftheatomicstructureofthehigh-entropymetaldiborides表1-2HEBs的力学性能汇总表Table1-2Mechanicalpropertiesofhigh-entropyborideceramicsNo.SamplesSinteringtemperature[℃]Relativedensity[%]Fracturetoughness[MPa]Vickerhardness[GPa]1(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Hf0.2Ta0.2)B2[91]200092.4N/A17.5±1.22(Ti0.2Zr0.2Mo0.2Hf0.2Ta0.2)B2[91]200092.4N/A19.1±1.83(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2)B2[91]200092.3N/A21.9±1.74(Ti0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2Ta0.2)B2[91]200092.2N/A22.5±1.75(Ti0.2Nb0.2Zr0.2Mo0.2Ta0.2)B2[91]200092.1N/A23.7±1.76(Ti0.2Cr0.2Zr0.2Hf0.2Ta0.2)B2[91]200092.2N/A19.9±2.67(Ti0.2Cr0.2Zr0.2Hf0.2Ta0.2)B2[93]200099.2N/A28.3±1.68(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2)B2[93]200097.7N/A26.3±0.79(Ti0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2Ta0.2)B2[93]200096.3N/A25.9±1.110(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Hf0.2Ta0.2)B2[94]200098.14.06±0.3521.7±1.111(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2)B2[94]200098.53.64±0.3626.3±1.812(Ti0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2Ta0.2)B2[94]2000964.47±0.4027.0±0.4
【参考文献】：
期刊论文
[1](La0.2Ce0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2)2Zr2O7:A novel high-entropy ceramic with low thermal conductivity and sluggish grain growth rate[J]. Zifan Zhao,Huimin Xiang,Fu-Zhi Dai,Zhijian Peng,Yanchun Zhou. Journal of Materials Science & Technology. 2019(11)
[2]超高温陶瓷复合材料的研究进展[J]. 张幸红,胡平,韩杰才,孟松鹤,杜善义. 科学通报. 2015(03)
本文编号：3402948
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