碳化物陶瓷

高熵碳化物陶瓷粉体合成研究
高熵碳化物陶瓷粉体合成研究是指针对高熵碳化物陶瓷材料的合成方法进行研究的工作。

高熵碳化物陶瓷材料是一种特殊的多组分陶瓷材料，其由至少五种或以上的金属元素构成，并形成高度均匀的晶格结构。

合成高熵碳化物陶瓷粉体的关键是选择合适的原料和合成方法。

常用的合成方法包括固相反应法、溶胶-凝胶法、水热合成法等。

其中，固相反应法是最常用的方法，通过将金属元素和硅源在高温条件下进行反应，生成高熵碳化物陶瓷粉体。

溶胶-凝胶法则是通过将金属盐与溶胶制备剂在溶剂中混合，并经过凝胶化和热处理生成高熵碳化物陶瓷粉体。

研究高熵碳化物陶瓷粉体的合成方法不仅要考虑到材料的成分和结构，还需关注合成过程中的温度、压力和反应时间等因素对产物性能的影响。

研究人员通常通过X射线衍射、扫描电镜等手段对合成产物的结构和形貌进行表征，并通过物理性能测试来评估其性能。

高熵碳化物陶瓷粉体合成研究的目的是为了开发出具有优异性能的高熵碳化物陶瓷材料，以满足高温工程、耐磨、高强度等领域的需求。

7⋅4 碳化物陶瓷材料7⋅4⋅1 碳化硅陶瓷碳化硅在自然界中极少发现，到目前为止只发现与金刚石或火山岩伴生的天然碳化硅。

人工合成碳化硅由瑞典化学家Berzelius于1810年完成，并在1824年提出Si-C键可以存在。

但直到1892年，Acheson才在其专利中提出完备的人工制备碳化硅的方法[1-3]。

作为碳化物的代表，由于其结构和化学键本质特殊性，比如原子直径小、键长短、共价性强，碳化硅材料受到人们广泛关注[1-8]。

由于它是以共价键结合为主的材料，因此它具有相当优良的力学(高强、高硬度、耐磨损)、化学(耐酸、碱腐蚀)、热学(高热导、无熔点，分解温度>2600°C)，电学(从绝缘、半导体到导体可通过掺杂来调节)性能、耐辐照、吸波、比刚度高等特性。

在许多重要的应用领域，碳化硅成为主要候选材料，甚至具有不可替代的地位，比如在含HF条件下使用的泥浆泵轴套，只有采用高纯高致密SiC 才能保证其耐蚀(HF)、耐磨要求。

7⋅4⋅1⋅1 碳化硅的化学键、晶体结构和相图碳化硅是共价键性非常强的化合物，其Si-C键的离子键性仅占12%左右[7]。

碳化硅晶体结构的基本结构单元是SiC4和CSi4配位四面体。

图1是CSi4四面体的结构示意图，在SiC晶体结构中，每一个Si原子或C原子都处于这种四面体结构的中心，不同的四面体排列方式会形成不同的结构变体。

碳化硅有200多种变体，但从四面体的层叠方式看，主要有两类晶系：六方纤锌矿结构和立方闪锌矿结构。

六方纤锌矿(2H)结构中，四面体以ABAB…的顺序排列；立方闪锌矿(3C)结构中，四面体以ABCABC…的顺序排列，其结构俯视和侧视图如图7⋅4-1所示。

Si原子C原子图7⋅4-1 CSi4配位四面体结构图CSi立方SiC 六方SiC图7⋅4-2 立方和六方SiC 晶体结构中Si 、C 原子排列情况碳化硅陶瓷主要有α-SiC 和β-SiC 两种晶型。

α-SiC 为六方结构，包含的变体超过200种，其中最主要的有4H 、6H 、15R 等，H 代表六方晶系，R 代表菱方晶系。

第36卷 第4期 无 机 材 料 学 报Vol. 36No. 42021年4月Journal of Inorganic Materials Apr., 2021收稿日期: 2020-07-02; 收到修改稿日期: 2020-09-27; 网络出版日期: 2020-10-19基金项目: 国家自然科学基金(51972027) National Natural Science Foundation of China (51972027) 作者简介: 王皓轩(1994–), 男, 博士研究生.E-mail:*********************WANGHaoxuan(1994–),male,PhDcandidate.E-mail:*********************通信作者: 王一光, 教授.E-mail:*******************.cn文章编号: 1000-324X(2021)04-0355-10 DOI: 10.15541/jim20200366高熵过渡金属碳化物陶瓷的研究进展王皓轩1, 刘巧沐2, 王一光3(1. 西北工业大学 超高温结构复合材料重点实验室, 西安710072; 2. 中国燃气涡轮研究院, 成都 610500; 3. 北京理工大学 先进技术结构研究院, 北京 100081)摘 要: 高熵陶瓷作为新型材料, 较大的构型熵赋予其独特的性能, 其中高熵过渡金属碳化物有望成为高超声速飞行器热防护系统的备选材料。

相比于单组元碳化物陶瓷, 高熵化的单相陶瓷在综合性能上有较大地提高。

目前, 高熵过渡金属碳化物陶瓷的研究还处于初始阶段, 关于高熵过渡金属碳化物的成分设计和理论分析还缺少足够的研究支撑。

另外, 如何制备高纯度高熵过渡金属碳化物还需要进一步探索。

在高熵过渡金属碳化物陶瓷的性能方面, 还缺少深入的研究。

本文针对高熵陶瓷的理论设计和制备方法展开综述, 详细介绍了高熵过渡金属碳化物的力学、热导及抗氧化性能的研究进展, 并指出了高熵过渡金属碳化物陶瓷在超高温陶瓷领域存在的科学问题, 展望了高熵过渡金属碳化物陶瓷未来的发展方向。

陶瓷资料整理总述陶瓷是陶器与瓷器的统称，同时也是我国的一种工艺美术品，远在新石器时代，我国已有风格粗犷、朴实的彩陶和黑陶。

陶与瓷的质地不同，性质各异。

陶，是以粘性较高、可塑性较强的粘土为主要原料制成的，不透明、有细微气孔和微弱的吸水性，击之声浊。

瓷是以粘土、长石和石英制成，半透明，不吸水、抗腐蚀，胎质坚硬紧密，叩之声脆。

我国传统的陶瓷工艺美术品，质高形美，具有高度的艺术价值，闻名于世界。

特性说到陶瓷材料，难免将陶与瓷分开来谈，我们经常说的陶瓷，是指陶器和瓷器两个种类的合称。

在创作领域中，陶与瓷都是陶瓷艺术中不可或缺的重要组成部分，但是陶与瓷却有着质的不同。

陶，是以粘性较高、可塑性较强的粘土为主要原料制成的，不透明、有细微气孔和微弱的吸水性，击之声浊。

瓷是以粘土、长石和石英制成，半透明，不吸水、抗腐蚀，胎质坚硬紧密，叩之声脆。

分类陶瓷材料目前尚无统一的分类方法，通常把陶瓷材料分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷3类。

其中工程陶瓷又分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。

其中普通陶瓷又称传统陶瓷，特种陶瓷又称现代陶瓷。

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。

具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。

可用作结构材料、刀具材料和模具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。

普通陶瓷普通陶瓷又称传统陶瓷，其主要原料是黏土（Al2O3·2SiO2·H2O）、石英（SiO2）和长石（K2O·Al2O3·6SiO2）。

通过调整3者比例，可得到不同的抗电性能、耐热性能和机械性能。

一般普通陶瓷坚硬，但脆性大，绝缘性和耐蚀性极好。

特种陶瓷特种陶瓷又称现代陶瓷，按应用包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。

工程上最重要的高温陶瓷，包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷。

①氧化物陶瓷a.氧化物陶瓷的性质Ⅰ.熔点大多在2000℃以上，烧成温度在1800℃左右。

碳化物陶瓷及其复合材料在特种陶瓷领域，碳化物是一种最耐高温的材料。

它常以通式Me x C yｙ来加以表示。

碳化物陶瓷种类很多，大体上可划分为类金属碳化物和非金属碳化物两种。

从晶体材料结构特点进行分类时，一类如TiC、ZrC、VC、WC、SiC、B4C等属于较简单结构的碳化物。

而另一类如Fe3C、Cr7C3、Cr3C6等则属于较复杂的结构。

相比较而言，属简单结构的碳化物陶瓷较为稳定，具有很高的熔点和硬度，所以现在研究与开发应用比较广泛、个别品种成为热门产品。

结构比较复杂的碳化物，在稳定性上较差，熔点与硬度稍低，目前在应用方面意义不大。

不过它们属于一般钢铁中重要的强化相，而且以各种复杂的相存在。

譬如：（Fe、Mn）3C、（Fe、Cr）3C、（Fe、Cr）7C３、（Fe、W）6C、（Fe、Mo）6C等等。

对于钢铁合金制品的改良与开发新品种具有一定意义。

我们常讲的碳化物高温结构陶瓷，通常指SiC、B4C、TiC、WC、ZrC、Cr3C2等及其复合物材料。

碳化物陶瓷最主要的特性之一是具有高熔点。

例如碳化钛（TiC）熔点高达3460℃，碳化钨（WC）为2720℃、碳化锆（ZrC）为3450℃、碳化硅（SiC）的气化点为2600℃。

可以说基本上所有的碳化物陶瓷的熔点都很高。

除熔点很高外，碳化物陶瓷还具有较高的硬度。

碳化硼硬度仅次于金刚石与立方氮化硼，属于最硬的材料，其显微硬度达到4950kg／mm2、碳化钛为3200 kg／mm2、碳化硅为3000 kg／mm2。

碳化物陶瓷还具有良好的导电性、导热性及良好的化学稳定性。

几乎大多数碳化物陶瓷在常温下不与酸反应。

极少数碳化物即使加热亦不同酸起化学反应。

结构最稳定的碳化物陶瓷甚至于不受硝酸与氢氟酸混合酸的腐蚀，成为陶瓷材料中耐磨蚀的佼佼者。

鉴于以上各种独特的优良性能，碳化物陶瓷作为耐热材料、超硬材料、耐磨材料、耐腐蚀材料，在尖端科学及工业领域应用前途非常广阔。

其中象碳化硅陶瓷已经实现批量生产，早已运用在各个领域。

sic主流生长方法
SIC（硅碳化物）是一种具有优异性能的陶瓷材料，它具有高硬度、高熔点、耐高温、耐腐蚀等特点，被广泛应用于高温、高压、耐磨、耐腐蚀等领域。

SIC的主流生长方法主要有以下几种：
1. 碳化硅单晶生长方法，碳化硅单晶生长是目前最常用的SIC 生长方法之一。

常见的碳化硅单晶生长方法包括物理气相沉积（PVT）、化学气相沉积（CVD）和液相热解（LPE）等。

其中，PVT 方法是最主要的生长方法，通过在高温下使硅和碳源反应生成SIC 单晶。

2. 反应烧结法，反应烧结法是一种常用的SIC陶瓷制备方法。

该方法通过将硅粉和石墨粉混合，在高温下进行热压烧结或热等静压烧结，使其发生化学反应生成SIC陶瓷。

3. 溶胶-凝胶法，溶胶-凝胶法是一种化学合成方法，通过溶胶-凝胶过程将硅源和碳源溶解在溶剂中，制备成凝胶状物质，然后通过热处理使其发生胶凝和碳化反应，最终得到SIC陶瓷。

4. 熔融石墨渗透法，熔融石墨渗透法是一种通过石墨渗透碳化
硅的方法。

该方法将石墨和硅源放置在高温炉中，石墨在高温下熔
化形成液态，然后液态石墨渗透到硅源中，通过反应生成SIC陶瓷。

这些方法各有优缺点，适用于不同的生长需求和应用场景。

在
实际应用中，根据需要选择合适的生长方法来获得高质量的SIC材料。