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多元碳化物粉末的制备与组织性能研究

李岗  
【摘要】:碳化物陶瓷是起源于第二次世界大战期间的一种高强度、高硬度的材料。虽然碳化物陶瓷如今已经有了长足的进步,但是它越来越不能满足日益严苛的服役条件。所以受到高熵合金的启发,人们开始探索高熵碳化物的制备与组织性能研究。它是由五种或五种以上金属组元和碳原子形成的单相固溶体,具有高熔点和高硬度等优良特性。目前高熵碳化物研究分为块体和粉末两种研究方向,且制备出的某些高熵碳化物有着优良的力学性能和耐高温性能,为高熵碳化物的应用奠定了基础。本文以金属粉末、金属氢化物粉末和纳米碳粉为原料,通过熔盐辅助法制备出了三元准高熵碳化物(Ti,Ta,Nb)C粉末和四元准高熵碳化物(Ti,Ta,Nb,V)C粉末。但是在相同工艺下制备(Ti,Ta,Nb,M)C和(Ti,Ta,Nb,V,M)C(M=W,Mo,Zr)粉末时,没有制备成功。在制备三元碳化物(Ti,Ta,Nb)C粉末时,发现以Na Cl为熔盐的制备产物为Na Ta O_3、(Ti_(0.33)Ta_(0.67))O_2和(Ti,Nb)C;以KCl为熔盐的制备产物为(Ti,Ta,Nb)C;以Na Cl和KCl混合盐为熔盐的制备产物为Ta O_2和(Ti,Ta,Nb)C。同时发现过量的碳粉可以促进三元碳化物粉末的形成,降低制备成本。而且Ti、Ta、Nb摩尔比为3:1:1的(Ti,Ta,Nb)C抗氧化性能要好于等金属组元摩尔比的(Ti,Ta,Nb)C。在制备四元碳化物粉末时,发现以Ti、Ta、Nb、V为金属组元可以制备出没有杂相的四元碳化物(Ti,Ta,Nb,V)C粉末;以Ti、Ta、Nb、Zr为金属组元的制备产物为Zr O_2和(Ti,Ta,Nb)C;以Ti、Ta、Nb、Mo为金属组元的制备产物为Mo_2C和(Ti,Ta,Nb,Mo)C;以Ti、Ta、Nb、W为金属组元的制备产物为WC、W_2C和(Ti,Ta,Nb,W)C。同时发现在四元准高熵碳化物(Ti,Ta,Nb,V)C粉末中,保温时间短的抗氧化性能更好,这说明不是成分越均匀抗氧化性能越好。在制备五元碳化物粉末时,发现以Ti、Ta、Nb、V、W为金属组元的制备产物为WC、W_2C、WC_(1-X)和(Ti,Ta,Nb,V,W)C;以Ti、Ta、Nb、V、Mo为金属组元的制备产物为Mo_2C和(Ti,Ta,Nb,V,Mo)C;以Ti、Ta、Nb、V、Zr为金属组元的制备产物为Zr O_2和(Ti,Ta,Nb,V)C。总的来看,从四种金属组元到五种金属组元尽管熵增加了许多,但是产物中都出现了W和Mo的碳化物。而Zr H_2分解产生的Zr则在加热时和O反应,生成Zr O_2保留下来。另外通过熔盐辅助法制备的四元准高熵碳化物(Ti,Ta,Nb,V)C粉末的抗氧化性能要好于三元准高熵碳化物(Ti,Ta,Nb)C粉末。


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