【摘 要】
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过渡金属碳化物（transition metal carbide,TMC）陶瓷是一种超高温陶瓷（ultra high temperature ceramic,UHTC）,具有出色的物理化学性能,如超高硬度、低热导率以及抗腐蚀性,因此在航空航天、核能、高速切削加工等极端环境中,拥有巨大的应用潜力[1-3]。由于TMC陶瓷中强的共价键结合,使得其在低温烧结时难以达到致密的状态,因此,如何有效节能地制备
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过渡金属碳化物（transition metal carbide,TMC）陶瓷是一种超高温陶瓷（ultra high temperature ceramic,UHTC）,具有出色的物理化学性能,如超高硬度、低热导率以及抗腐蚀性,因此在航空航天、核能、高速切削加工等极端环境中,拥有巨大的应用潜力[1-3]。由于TMC陶瓷中强的共价键结合,使得其在低温烧结时难以达到致密的状态,因此,如何有效节能地制备TMC陶瓷是国内外学者目前共同的研究热点,此外,随着TMC陶瓷服役环境的不断复杂化,对其高温力学性能方面的研究也受到越来越多的重视。本研究通过高压烧结技术,制备出了四种TMC陶瓷,并对其相组成、显微结构进行了系统的表征,进一步探讨了它们的力学性能和氧化行为,主要的研究结果如下:本研究使用TaC、NbC、TiC和ZrC粉末,球磨后通过高压烧结的方法在相对较低的温度1500℃和7 GPa的压力下制备了四种致密的TMC陶瓷,相对密度分别为TaC（99.32%）、NbC（98.94%）、TiC（98.17%）和ZrC（96.41%）,这低于多数其他已报道的能使TMC陶瓷致密化的最低温度。TaC陶瓷的室温硬度为19.5±0.3 GPa,NbC陶瓷为18.5±0.2 GPa,TiC陶瓷为26.2±0.3 GPa,ZrC陶瓷为20.2±0.4 GPa;它们的弹性模量分别为401.5±9.2 GPa、335.8±11.5 GPa、318.5±15.1 GPa和291.6±12.3 GPa;在高温环境下的硬度和弹性模量呈线性下降规律。四种TMC陶瓷的断裂韧性则分别为2.5±0.2 MPa·m1/2、2.9±0.1MPa·m1/2、2.8±0.2 MPa·m1/2和1.8±0.2 MPa·m1/2,与报道的相关力学性能相近,充分证实了高压烧结TMC的可行性。对烧结好的四种TMC陶瓷在200、400、600、800和1000℃的条件下热处理一定时间,并借助TG-DSC、SEM、EDS和轮廓仪等对样品进行表征研究它们的氧化行为,结果表明TMC陶瓷在氧化过程中逐渐增重,氧化动力学遵循抛物线定律。这四种TMC陶瓷的氧化机理可以简要概括为:当温度较低时,表面会出现不均匀的热应力,从而导致裂纹的形成;随着温度的上升,氧化反应产物会被分解成CO、CO2等气体,并伴有一些副产物的产生;随后,TMC与氧气的接触也会进一步加剧氧化反应,最终导致烧结固化。
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