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北方民族大学陆有军团队：“SiC颗粒之力”—高熵氮化物陶瓷致密及强韧化机制

已有 929 次阅读 2024-11-28 14:34 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Song W, Lu Y, Yang L, et al. Enhancement of densification and mechanical property of (Hf0.2Zr0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2)N high-entropy bulk ceramic via silicon carbide addition. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221004

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9221004

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/385891386_Enhancement_of_densification_and_mechanical_property_of_Hf_02_Zr_02_Ti_02_Nb_02_Ta_02_N_high-entropy_bulk_ceramic_via_silicon_carbide_addition

1、引言

在现代工业发展中，耐高温、耐腐蚀、高强度和高硬度的材料始终扮演着不可或缺的角色。高熵氮化物陶瓷普遍具有高熔点、高硬度、耐摩擦等特性。然而在近些年，过渡金属氮化物陶瓷材料的发展缓慢，其研究和应用远不及同类型的过渡金属碳化物和硼化物。课题组在前期提出了氮化物热还原法，成功合成出(Hf_0.2Zr_0.2Ti_0.2Nb_0.2Ta_0.2)N高熵粉体。然而，在陶瓷烧结过程中出现了晶粒过大、难以致密、韧性差等问题。如何实现高熵氮化物陶瓷的高致密化与高韧性能，一直是制约其实际应用的瓶颈问题。本研究通过引入SiC颗粒，探索了其对高熵氮化物陶瓷在致密化与机械性能的影响，探索其致密化与强韧机理，并为未来高性能陶瓷的设计提供了新思路。

2、内容概述：

近日，北方民族大学陆有军团队采用软机械力辅助氮化物热还原法合成了亚微米级(Hf_0.2Zr_0.2Ti_0.2Nb_0.2Ta_0.2)N高熵粉体，并添加不同含量的SiC颗粒，使用放电等离子烧结（SPS），在2100℃下进行陶瓷烧结，研究了SiC颗粒的添加对(Hf_0.2Zr_0.2Ti_0.2Nb_0.2Ta_0.2)N高熵块体陶瓷致密度、机械性能的影响，并深入发掘了其致密化与强韧化机理。结果表明，当SiC添加量为10wt.％时，块体陶瓷致密度由93.08±0.13%提升至99.12±0.12%，维氏硬度、断裂韧性、抗弯强度分别由19.16±0.56 GPa、3.78±0.09 MPa·m^1/2、335±11 MPa提升至23.34±0.67 GPa、4.35±0.13 MPa·m^1/2、409±11 MPa。

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图1 块体陶瓷的密度数据

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图2 块体陶瓷机械性能

深入分析机理发现，SiC颗粒可以钉扎基体陶瓷的晶界，以此延缓晶粒长大的速度，避免气体在晶粒长大过程中被包裹，防止晶内气孔产生，也阻止了晶粒的异常长大，以此促进陶瓷的致密化。此外，SiC颗粒弥散与基体陶瓷中，可以使裂纹发生偏转，阻碍裂纹传递。同时，陶瓷中还观察到SiC颗粒的拔出现象，证明SiC颗粒也可以起到拔出增韧的效果。

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图3 SiC颗粒钉扎效应示意图

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图4 SiC颗粒拔出现象

最后，基于高分辨透射显微镜（HRTEM）分析，发现SiC与基体陶瓷结合紧密，进一步增强了拔出增韧的效果。总的来看，SiC颗粒在高熵氮化物陶瓷中同时起到了促进致密化与增韧的作用，这便是“SiC颗粒之力”。

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图5 块体陶瓷HRTEM分析

3、作者及研究团队简介

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通讯作者：陆有军，北方民族大学材料科学与工程学院教授，博导，华南理工大学博士。2015年入选宁夏首批自治区科技创新领军人才，2023年入选宁夏首批塞上卓越工程师，碳基先进陶瓷制备技术国家地方联合工程研究中心主任，宁夏回族自治区材料科学与工程“双一流”学科负责人，兼任中国颗粒学会理事、中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事等社会职务。主持和参与国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目、国家自然科学基金地区基金项目、国家863计划项目、973预研、国际科技合作重大项目、自治区重点研发计划及横向课题等科研项目近30项，在《Journal of Advanced Ceramics》《Ceramics International》《Journal of Alloys and Compounds》《无机材料学报》《硅酸盐学报》等国内外学术期刊发表论文50余篇，授权发明专利10余件，制定团体标准2项，获国家发明创业奖创新奖二等奖1项（排名第三），自治区科技进步三等奖1项（排名第一），2项科技成果成功转让。

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第一作者：宋武阳，北方民族大学材料科学与工程学院硕士研究生。

研究团队简介：北方民族大学材料科学与工程学院先进陶瓷与功能材料课题组依托国家级材料科学实验教学示范中心（教育部）、“碳基先进陶瓷制备技术”国家地方联合工程研究中心（国家发改委），“粉体材料与特种陶瓷”省部共建重点实验室等三个国家级及省部级教学及科研平台成立，已搭建起比较完善的先进陶瓷和功能材料两个方向的研究平台，可以满足功能非氧化物功能陶瓷如氮化硅、碳化硅及高熵氮化物及碳化物陶瓷的合成、表征、性能测试等研究需求，同时也可以满足光催化、电催化等材料的制备、表征、性能测试等研究需求。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1. Song W, Lu Y, Yang L, et al. Enhancement of densification and mechanical property of (Hf_0.2Zr_0.2Ti_0.2Nb_0.2Ta_0.2)N high-entropy bulk ceramic via silicon carbide addition. Journal of Advanced Ceramics, 2024.

2. Liu X, Lu Y, Xu Q, et al. Synthesis of (HfZrTiNbTa)N powders via nitride thermal reduction with soft mechano-chemical assistance. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12: 565–77.

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目。