蘭州化物所高熵碳化物陶瓷研究獲新進展

來源：固體潤滑國家重點實驗室時間：2023-07-21

高熵材料是近年發(fā)展起來的一類新興材料，其高熵的熱力學特征表現(xiàn)出諸多新奇特性，為前沿領域提供了重大科學啟示和廣闊研究空間。高熵碳化物陶瓷以其獨特的組成、微觀結(jié)構(gòu)和良好的力學性能等備受研究者青睞。

近期，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室高溫摩擦學課題組在高性能高熵陶瓷材料的設計、制備及摩擦學性能研究方面獲新進展。

針對高熵碳化物陶瓷制備困難的問題，研究人員以石墨作為碳源，采用氧化物碳熱還原法，結(jié)合高能球磨及放電等離子燒結(jié)技術，制備了高致密的單相高熵陶瓷塊體材料，材料結(jié)晶性好、純度高、成分均勻、抗磨損性能優(yōu)異（圖1）。此外，研究人員通過添加少量金屬鋁，可明顯降低高致密高熵陶瓷塊體的燒結(jié)溫度。相關研究成果發(fā)表在Tribology International（2021,157:106883; 2023,184:108471）上。

研究人員提出了利用單相高熵碳化物陶瓷自身組成元素提供潤滑性能的策略，開展了單相高熵碳化物陶瓷摩擦誘導自潤滑行為研究。通過調(diào)控高熵陶瓷體系的組成（(Hf-X-Nb-Ta-Ti)C, X為Mo, W, V, Zr），發(fā)現(xiàn)了系列在高溫真空環(huán)境下具有自潤滑性能的單相高熵碳化物陶瓷材料，其摩擦系數(shù)最低可達0.1（圖 2）。這主要是由于高熵陶瓷材料在高溫摩擦誘導作用下，在磨損表面生成了具有潤滑性能的非晶碳膜（圖3）。此外，研究人員通過調(diào)控(HfMoNbTaTi)C系高熵陶瓷的高溫潤滑組元Mo，獲得了在大氣高溫工況下具有自潤滑性能的單相高熵陶瓷材料。相關研究成果先后發(fā)表在Scripta Materialia（2023,227:115273）、Journal of the American Ceramic Society（2023,106:4987-4996）和Journal of the European Ceramic Society（2023,43:5099-5107）上。

相關研究獲中國發(fā)明專利授權(quán)3項（ZL202010946401.1, ZL202111451319.2, ZL202211459351.X）。

上述工作第一作者分別為蘭州化物所助理研究員孫奇春和蘭州理工大學聯(lián)合培養(yǎng)碩士生陳文邦。

以上工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、甘肅省青年科技人才托舉工程等項目的支持。