高熵碳化物陶瓷的制备及性能研究

高熵碳化物陶瓷的制备及性能研究

黄倩

重庆交通大学  重庆  400000

摘要：高熵碳化物是近年来科研工作者受到高熵合金启发而发展的一种新型材料，它具有多种优异性能，包括优良的力学性能、良好的抗氧化性能、良好的热稳定性以及低导热率。本文对高熵碳化物陶瓷的制备工艺以及性能特点进行了总结，并对高熵碳化物陶瓷的发展方向进行展望。

关键词：高熵陶瓷；制备工艺；性能

当传统材料的发展越来越趋近于其极限、无法满足各行业新技术日益增长的需要时，开发新材料变得尤为重要。“高熵”是近年来出现的新的材料设计理论，目前已成为材料研究领域的一大热点，其概念最初由高熵合金发展而来。随着研究的不断深入，高熵的概念逐渐拓展到陶瓷材料中，因此本文总结了高熵碳化物陶瓷的制备工艺以及性能特点，并对未来发展方向进行了展望。

1高熵碳化物陶瓷的制备

目前高熵碳化物粉体的方法有固相法、熔盐法、液相法等等。Zhou J等[1]以单相碳化物粉体为原料，使用放电等离子体烧结制备(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Hf0.2)C高熵陶瓷粉体，在1950℃下合成的高熵粉体粒径约为2μm。Feng L等[2]通过碳热还原的方法制备了(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Hf0.2)C高熵陶瓷粉体，先在1600℃下还原先得到复合碳化物粉体，当保温温度提高到2000℃时，可得到粒径约为550nm的面心立方单相碳化物粉体。褚衍辉团队[3]利用熔盐法在较低温度下制备了平均粒径80nm的(Ta0.25Nb0.25Ti0.25V0.25)C粉体。对于高熵碳化物陶瓷块体的合成，目前大多使用放电等离子烧结和热压烧结，以及通过高能球磨直接制得高熵陶瓷。Wang H X等[4]将等摩尔量的金属碳化物粉末在低温行星球磨机中混合均匀后，采用放电等离子体烧结得到了(Hf0.2Ta0.2Zr0.2Ti0.2Nb0.2)C-xSiC高熵陶瓷。Ye等[5]将碳化物粉末湿法球磨24h，然后放入模具，压成小块，利用热压烧结制备了(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C高熵陶瓷。E. Chicardi等[6]以Ti、Zr、Hf、V和Nb粉末的等量混合物，以及相应的化学计量的石墨粉末为原料，在行星式球磨机中以300rpm的转速，5个大气压的惰性高纯度氩气中进行研磨，制得了(TiZrHfVNb)C5陶瓷。

2高熵碳化物陶瓷的性能

Elinor C等[7]制备出了多元高熵碳化物(Hf0.25Ta0.25Zr0.25Nb0.25)C，通过比较单组元、二元、高熵碳化物的压痕模量和硬度与四种碳化物混合后的理论计算值，可以发现高熵碳化物压痕模量达到了598GPa，比任何单组元和二元碳化物的压痕模量都要高。Chen H等[8]采用TiO2、ZrO2、HfO2、Nb2O5、Ta2O5的粉末和炭黑为原料，成功制备出了(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2)C多孔高熵碳化物陶瓷。(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2)C多孔高熵碳化物具有100~500nm范围内均匀的晶粒尺寸和0.2~1μm范围内的孔径，孔隙率为80.99%，抗压强度为3.45MPa，室温热导率为0.39W·m-1·K-1，低热扩散率为0.74 mm2·s-1，具有良好的高温稳定性。Yan X L等[9]通过放电等离子烧结制备出了(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C单相固溶体高熵陶瓷。将试样在氩气保护气氛中加热至1140℃，保温一段时间后，退火1h。之后通过对样品进行XRD表征，发现没有出现其它相，可以说明该材料具有良好的热稳定性。研究发现碳含量较高的(TiZrNbHfTa)C薄膜[10]通过降低开路电位、腐蚀电流密度和腐蚀电位，表现出较好的抗电化学腐蚀性能。在生物相容性测试中，粘附在高熵碳化物陶瓷薄膜上活性细胞较多，附着细胞形态良好，并且存活时间较长，对细胞无有害刺激性作用，说明高熵碳化物陶瓷薄膜还具有较好的生物相容性。

3结语

目前，对于高熵碳化物陶瓷粉体的制备的制备主要以固相法和液相法为主，块体的制备方法主要以放电等离子烧结和热压烧结为主，并且具有良好的力学性能、抗氧化性能以及低热导率等。因此系统地开发高纯、超细高熵碳化物粉体、优化制备工艺、调控优异的性能将是未来重要的研究方向。

参考文献

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[9]Yan X L, Constantin L, Lu Y F, Silvain JF, et al. (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C high-entropy ceramics with low thermal conductivity[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2018, 101(10):4486-4491.

[10]BRAIC V, BALACEANU M, BRAIC M, et al. Characterization of multi-principal-element (TiZrNbHf Ta)N and (TiZrNbHfTa)C coatings for biomedical applications[J]. Mech. Behav. Biomed., 2019, 10: 197-205.