科研進(jìn)展
蘭州化物所高熵碳化物陶瓷研究獲新進(jìn)展
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(xué)特征表現(xiàn)出諸多新奇特性，為前沿領(lǐng)域提供了重大科學(xué)啟示和廣闊研究空間。高熵碳化物陶瓷以其獨(dú)特的組成、微觀結(jié)構(gòu)和良好的力學(xué)性能等備受研究者青睞。
近期，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高溫摩擦學(xué)課題組在高性能高熵陶瓷材料的設(shè)計(jì)、制備及摩擦學(xué)性能研究方面獲新進(jìn)展。
針對(duì)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(shù)，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(guān)研究成果發(fā)表在Tribology International（2021,157:106883; 2023,184:108471）上。
圖1 單相高熵陶瓷塊體材料的XRD和TEM表征
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(dǎo)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(dá)0.1（圖 2）。這主要是由于高熵陶瓷材料在高溫摩擦誘導(dǎo)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(guān)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。
圖2 (Hf-Mo-Nb-Ta-Ti)C高熵陶瓷在真空環(huán)境下的高溫摩擦學(xué)性能
圖3 高熵陶瓷試樣在真空400 oC時(shí)磨痕的TEM分析
相關(guān)研究獲中國發(fā)明專利授權(quán)3項(xiàng)（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(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生陳文邦。
以上工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、甘肅省青年科技人才托舉工程等項(xiàng)目的支持。
