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过渡金属碳化物（TMCs）凭借其优异的高温与力学性能，是顶点环境应用的要害候选材料。通过多主元合金化造成固溶体可进一步晋升其性能，但材料固有的高熔点、强共价键及高熵体系中的迟缓扩散效应，使得其精采化与单相造成极为困难。传统烧结技能存在驱散低、老本高的问题，而新兴的超快高温烧结技能虽展现出高效制备后劲，但其在多元碳化物体系中的烧结机理、跨熵值限度的系统规矩以及单相造成准则仍不解确，亟待深刻磋磨。

论文撮要

2026年02月03日，吉林大学沈平讲授、郭瑞芬副讲授团队在期刊Journal of the American Ceramic Society上发表了题为“Phase Formation and Densification in Ultrafast High-Temperature Sintering of Multi-Principal-Element Carbides”的磋磨论文。本磋磨罗致超快高温烧结技能，以元素碳化物粉末为先行者体，通过一步原位反映快速制备了2–9组元碳化物固溶体。系统辩论了组元数目对精采化、单相造成与力学性能的影响，揭示了Cr₃C₂液相造成与碳空位协同促进快速精采化的机制，论述了热力学驱能源与能源学敛迹共同适度单相造成的竞争筹商，发现所得材料硬度显耀晋升但断裂韧性受限，并考证了后续退火对缓解残余应力、晋升韧性的灵验性。该责任为多元碳化物高通量制备与筛选提供了高效道路，并深刻揭示了其非均衡烧结机理。

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图文解读

图1：超快高温烧结（UHS）装配暗示图

该图展示了UHS诞生责任旨趣：将生坯置于石墨毡内，通过焦耳加热在真空环境中完毕极高速度（约600°C/min）升温，愚弄双色红外测温仪及时监测样品名义温度并进行校准。该装配中枢上风在于将材料在数秒至数分钟内加热至3000°C以上，聚积超短保温与无压条款，为多元高熔点碳化物的快速烧结提供了要害技能平台。

图2：不同温度烧结后TM₂C与TM₅C样品抛光名义光学显微图

随温度升高，两类样品孔隙率均先显耀诽谤后回升。TM₂C在2000°C、TM₅C在2200°C时密度最优，过高温度导致Cr₃C₂蒸发加重，造成再生孔隙，直不雅揭示了烧结温度需在促进精采化与羁系组分蒸发间获得均衡。

图3：TM₂C与TM₅C样品相对密度与质料赔本随温度演变

量化驱散暴露，相对密度随温度呈先增后降趋势，TM₂C在2000°C达峰值密度99%，TM₅C需2200°C达98%，证明组元增多使精采化更难。质料赔本随温度单调飞腾，尤其在优化温度以上急剧增多，与图2孔隙趋势对应，阐述低熔点Cr₃C₂蒸发是密度下落主因。

图4：各体系在优化温度与时辰下烧结后的名义显微结构

在初步优化温度下，TM₅C–TM₉C密度均＞94%，而TM₃C与TM₄C仅70%与83%。诽谤保温时辰至30 s后，二者密度晋升至93%与94%，标明高温短时保温可灵验羁系Cr₃C₂蒸发，改善精采化。

图5：优化烧结条款下各体系相对密度与质料赔本对比

经优化工艺（TM₂C–TM₄C：2000°C；TM₅C–TM₉C：2200°C；保温时辰30–60 s），扫数样品性量赔本适度在约2%低位，得胜完毕了从二元到九元体系的高效精采化，为后续相结构与性能磋磨奠定基础。

图6：TM₂C–TM₉C体系XRD图谱

TM₂C–TM₅C及无ZrC的TM₆C–Mo、TM₇C–MoW、TM₈C–MoWHf均造成单相面心立方固溶体，晶格参数在4.194–4.375 Å之间，且均小于TiC或TaC基体，阐述固溶引起晶格消弱（0.8%–4.8%）。而含ZrC体系呈现多相特征，主要由TiC基与TaC基两种固溶体及TaC相构成，标明ZrC存在辞让单相造成。

图7：各体系抛光名义形色与对应EDS能谱图

单相体系（如TM₅C）组织精采、元素散布均匀；TM₂C晶界处可见富Cr第二相（Cr₃C₂）。含ZrC多相体系了了呈现TiC基与TaC基两种固溶相散布，EDS暴露Cr、V、Mo富集于TiC基相，Zr、Hf、Nb、Ta倾向TaC基相，出现显着的元素偏聚与化学分区。

图8：各碳化物体系晶粒尺寸散布直方图

单相体系晶粒尺寸呈单峰散布，平均尺寸5–7 μm（TM₅C因烧结温度高为9.5 μm）。多相含ZrC体系晶粒显耀细化，平均尺寸1–2 μm，标明第二相羁系晶粒长大。

图9：TM₂C与TM₅C的TEM微不雅结构表征

TM₂C中Cr₃C₂第二相分散于固溶体晶粒间，高鉴别TEM暴露二者界面非共格，晶格失配达38%。TEM-EDS揭示界面处Cr向TiC基体扩散的浓度梯度，标明固溶反映仍在进行。TM₅C则呈现均匀单相结构，晶格条纹连络，SAED为单一FCC衍射黑点，EDS阐述纳米圭臬元素散布均匀。

图10：UHS制备样品与文件中不同轨范所得同样因素材料的力学性能对比

本磋磨中UHS制备的碳化物在纳米硬度、弹性模量、维氏硬度方面与传统轨范（热压、放电等离子烧结等）成品十分甚而更优，讲授UHS可在极短时辰内完毕显耀的固溶强化，但断裂韧性广泛低于传统烧结材料（1.8–2.6 MPa·m¹ᐟ²）。

图11：退火前后各体系维氏硬度与断裂韧性对比

退火后无数体系硬度细小下落，但断裂韧性显耀晋升，如TM₇C–ZrHf与TM₈C–ZrHfMo的KIC增至3.0 MPa·m¹ᐟ²以上。标明退火开释了UHS快速冷却引入的残余应力，在断送少许硬度的同期灵验激勉了材料的本征增韧后劲（如细晶韧化），揭示了硬度与韧性之间的量度筹商可通事后续热责罚调控。

回来预测

总之，本磋磨提议一种基于超快高温烧结的高效合成政策，得胜完毕了2–9组元碳化物固溶体的快速制备。其精采化机制源于极高升温速度与原位造成的Cr₃C₂液相的协同作用：快速加热羁系了固态骨架造成，液相促进颗粒重排与物资传输，而碳空位进一步诽谤了原子扩散能垒，从而在无压条款下完毕分钟级精采化。单相造成受热能源学双重适度：热力学上，更负的夹杂吉布斯解放能与更小的晶格参数失配有益于固溶；能源学上，要害组分（如ZrC）在液相中熔化性差、碳空位扶直扩散等迂曲最终决定相构成。所得材料展现优异硬度（最高38.6 GPa）但韧性较低，此量度源于快速冷却导致的残余应力，尔后续退火可灵验缓解应力、晋升韧性，使材料在保捏高硬度的同期接近传统烧结材料的韧性水平。该责任不仅为高通量制备与筛选多元碳化物提供了高效、低老本的可行旅途，况且通过跨熵值限度的系统磋磨，深化了对非均衡烧结历程中热-能源学竞争机制的瓦解，为高性能陶瓷材料的感性缠绵提供了要害表面依据。将来可探索更精确的“温度-时辰”窗口适度、多元液相缠绵或梯度冷却工艺，以优化应力散布，完毕强度与韧性的协同晋升。

发布于：北京市