摘要
航空航天领域的飞速发展对碳化物陶瓷的使役性能要求不断提高，为了满足碳化物陶瓷在极端环境中的应用，研究碳化物陶瓷的熵调控与材料微结构之间的内在关系，进而解决材料高温力学性能的提升具有重要意义。目前，关于碳化物超高温陶瓷的熵调控研究主要集中在高熵陶瓷的组元种类及组元数等方面的调控，由于熵增和晶格畸变等效应，材料的常温力学性能得到明显改善，但由于位错运动增加和位错密度降低等原因，一般会导致高熵陶瓷的高温力学性能在高温（≥1800℃）条件下明显下降。本文采用碳热还原法分别制备了高纯碳化物单相TiC、ZrC、HfC粉体和中熵碳化物复合粉体，结合热压烧结制备方法研究了W掺杂的低熵MC碳化物陶瓷（M=Ta,Zr,Hf）和(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷的致密化、微结构演变及与其高温力学性能之间的内在关系： (1)以商业TaC粉体为原料，研究了W掺杂对TaC陶瓷的致密化、微结构及常温和高温力学性能的影响规律。研究表明：添加5mol%W的TaC陶瓷在1900℃的致密度高达97.3%，明显高于无添加剂的TaC陶瓷（85.6%），W添加剂可改善TaC的烧结性能，降低材料的烧结温度，并提升材料的室温硬度和断裂韧性；由于W（1.38(A)）与Ta（1.34(A)）的共价半径比较接近，W掺杂能够有效促进TaC陶瓷烧结中的体积扩散和晶界扩散，从而导致TaC致密度提升的同时也促进了TaC陶瓷的晶粒生长。 (2)在HfC-W体系中，由于较大的晶格畸变效应，W掺杂能够通过抑制HfC的晶粒生长来细化材料的微结构，并降低材料晶粒内闭气孔含量，增加晶界的强度，最终明显提高材料的室温及高温力学性能。HfC-W和TaC-W体系中，W添加剂引起二者构型熵增加量相同，但由于不同的晶格畸变效应，导致二者具有不同的力学性能增强机制。 (3)在ZrC-W体系中，基于课题组前期研究基础上，进一步考察了烧结温度对ZrC-10mol%W致密化的影响。研究表明：烧结温度的升高改善材料致密度的同时也促进了晶粒的进一步生长；由于10mol%W的掺杂量高于W在ZrC中的固溶极限，形成了具有核-壳结构的固溶体，过量的W以第二相纳米晶形式析出于晶界上，W掺杂明显增强材料的晶界强度，并提升材料的高温力学性能。 (4)以自制高纯、低氧含量的(Ti,Zr,Hf)C和Ti(Zr,Hf)C中熵陶瓷复合粉体为原料，研究了(Ti,Zr,Hf)C中熵碳化物陶瓷的烧结及材料的高温力学性能。研究表明：与ZrC和HfC一元碳化物陶瓷相比，(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷固溶体的形成可促进材料的致密化；由于TiC与ZrC之间高的晶格失配效应，不仅抑制了(Ti,Zr,Hf)C烧结过程中晶粒的快速生长，还增加了晶界强度，与非等摩尔比的(Ti1/9Zr5/9Hf3/9)C和(Ti2/9Zr4/9Hf3/9)C陶瓷相比，(Ti1/3Zr1/3Hf1/3)C在25-1800℃均保持较好的弯曲强度（580~614MPa）。
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