高熵過渡金屬碳化物陶瓷材料研究
發(fā)布時間：2021-09-22 02:24
過渡金屬碳化物具有超高硬度、低熱導(dǎo)和抗腐蝕等優(yōu)異的理化性能,在航空航天、核能和高速切削加工等極端環(huán)境有著廣闊的應(yīng)用前景。然而,隨著航空航天、國防軍工等國家重大戰(zhàn)略對過渡金屬碳化物材料性能要求的不斷提高,傳統(tǒng)過渡金屬碳化物陶瓷材料已經(jīng)無法滿足使用需求。為發(fā)展可應(yīng)用于未來極端服役環(huán)境下的新型過渡金屬碳化物陶瓷材料,本文借鑒高熵合金設(shè)計思想,在國際上率先開展了高熵過渡金屬碳化物陶瓷材料系統(tǒng)而深入的研究。采用第一性原理計算的基礎(chǔ)上對系列高熵過渡金屬碳化物體系形成可能性進行理論分析,且設(shè)計并采用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了系列高熵過渡金屬碳化物,系統(tǒng)表征了材料的相組成、顯微結(jié)構(gòu)以及元素均勻性,深入研究了材料的力學(xué)性能、熱物理性能以及抗氧化行為,揭示了材料的熱傳導(dǎo)機制、強韌化機制以及抗氧化機理,主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下:在結(jié)合第一性原理計算對五主元(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C（HEC-1）體系進行形成可能性理論分析的基礎(chǔ)上,采用熱壓燒結(jié)技術(shù)（2073 K、30 MPa）成功...
【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：131 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
過渡金屬及其氧、硼、氮、碳化物的熔點Fig1-1Meltingpointoftransitionmetalandtheiroxides,borides,carbides,nitrides
第一章緒論5（共價-金屬-離子混合鍵）連接構(gòu)成，而M-C鍵的強共價鍵特性，導(dǎo)致其斷裂所需能量較大，且它們在晶體中的分布是對稱的，進一步提升了破壞TMC晶體結(jié)構(gòu)的難度。圖1-2TMC晶體結(jié)構(gòu)示意圖Fig1-2Schematicdiagramofcrystalstructureoftransitionmetalcarbideceramic因此，TMC的穩(wěn)定性極佳，具有極高的熔點、極大的硬度及彈性模量和較低的體擴散系數(shù)。此外，TMC具有抗氧化耐燒蝕性能優(yōu)異、高電導(dǎo)高熱導(dǎo)、中子吸收截面小和密度及熱膨脹系數(shù)小等特點[26]。其中，ZrC的本征熱導(dǎo)和電導(dǎo)較高，常用作防氧化抗燒蝕涂層[27]。TaC的高溫力學(xué)性能非常有特點，它脆性轉(zhuǎn)變溫度為1850℃，溫度升高至2100℃出現(xiàn)屈服強度的下降，當(dāng)溫度繼續(xù)上升至2106℃時則展現(xiàn)出顯著延性[28]。針對TiC單晶的研究表明，室溫下，TiC的彎曲強度約為5.5GPa[29]。出色的性能使得TMC極具研究和應(yīng)用前景。然而，單相單主元TMC陶瓷燒結(jié)條件苛刻、抵抗裂紋擴展能力差等缺點極大程度上限制了TMC的發(fā)展及應(yīng)用[30]。研究表明，無壓燒結(jié)的情況下，單相單主元TMC的燒結(jié)溫度往往需要達到2500℃才能使其燒結(jié)致密，即使使用熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度也往往需要2200℃甚至更高[30]。此外，由于TMC為本征脆性材料，在額外引入增韌機制的情況下，其斷裂韌性通常在2~3MPa×m1/2之間，服役可靠性較差。針對上述問題，Yu等
第一章緒論13發(fā)現(xiàn)修正后的Hume-Rothery尺寸因子為決定單相固溶體能否形成的主要因素，且發(fā)現(xiàn)高熵硼化物的硬度及抗氧化效果優(yōu)于各單主元硼化物。圖1-4高熵過渡金屬硼化物的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1-4Schematicillustrationoftheatomicstructureofthehigh-entropymetaldiborides表1-2HEBs的力學(xué)性能匯總表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
【參考文獻】：
期刊論文
[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]超高溫陶瓷復(fù)合材料的研究進展[J]. 張幸紅,胡平,韓杰才,孟松鶴,杜善義. 科學(xué)通報. 2015(03)
本文編號：3402948
【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：131 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
過渡金屬及其氧、硼、氮、碳化物的熔點Fig1-1Meltingpointoftransitionmetalandtheiroxides,borides,carbides,nitrides
第一章緒論5（共價-金屬-離子混合鍵）連接構(gòu)成，而M-C鍵的強共價鍵特性，導(dǎo)致其斷裂所需能量較大，且它們在晶體中的分布是對稱的，進一步提升了破壞TMC晶體結(jié)構(gòu)的難度。圖1-2TMC晶體結(jié)構(gòu)示意圖Fig1-2Schematicdiagramofcrystalstructureoftransitionmetalcarbideceramic因此，TMC的穩(wěn)定性極佳，具有極高的熔點、極大的硬度及彈性模量和較低的體擴散系數(shù)。此外，TMC具有抗氧化耐燒蝕性能優(yōu)異、高電導(dǎo)高熱導(dǎo)、中子吸收截面小和密度及熱膨脹系數(shù)小等特點[26]。其中，ZrC的本征熱導(dǎo)和電導(dǎo)較高，常用作防氧化抗燒蝕涂層[27]。TaC的高溫力學(xué)性能非常有特點，它脆性轉(zhuǎn)變溫度為1850℃，溫度升高至2100℃出現(xiàn)屈服強度的下降，當(dāng)溫度繼續(xù)上升至2106℃時則展現(xiàn)出顯著延性[28]。針對TiC單晶的研究表明，室溫下，TiC的彎曲強度約為5.5GPa[29]。出色的性能使得TMC極具研究和應(yīng)用前景。然而，單相單主元TMC陶瓷燒結(jié)條件苛刻、抵抗裂紋擴展能力差等缺點極大程度上限制了TMC的發(fā)展及應(yīng)用[30]。研究表明，無壓燒結(jié)的情況下，單相單主元TMC的燒結(jié)溫度往往需要達到2500℃才能使其燒結(jié)致密，即使使用熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度也往往需要2200℃甚至更高[30]。此外，由于TMC為本征脆性材料，在額外引入增韌機制的情況下，其斷裂韌性通常在2~3MPa×m1/2之間，服役可靠性較差。針對上述問題，Yu等
第一章緒論13發(fā)現(xiàn)修正后的Hume-Rothery尺寸因子為決定單相固溶體能否形成的主要因素，且發(fā)現(xiàn)高熵硼化物的硬度及抗氧化效果優(yōu)于各單主元硼化物。圖1-4高熵過渡金屬硼化物的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1-4Schematicillustrationoftheatomicstructureofthehigh-entropymetaldiborides表1-2HEBs的力學(xué)性能匯總表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
【參考文獻】：
期刊論文
[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]超高溫陶瓷復(fù)合材料的研究進展[J]. 張幸紅,胡平,韓杰才,孟松鶴,杜善義. 科學(xué)通報. 2015(03)
本文編號：3402948
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