超高温硼化物高熵陶瓷燃烧合成及性能表征.pdf

摘要

随着对材料性能的要求越来越高，传统单组元超高温陶瓷逐渐难以满足需

求。与单组元陶瓷相比，新的材料设计范式赋予高熵陶瓷传统材料无法实现的

性能，使高熵陶瓷有望成为高性能超高温陶瓷材料，在航空航天等领域做出重

大贡献。目前合成高熵硼化物陶瓷的方法主要是硼热还原法，但是该方法需要

较高的反应温度和较长的反应时间。元素反应法以自蔓延方式进行但原料成本

高且难以获得高质量的单相固溶体。本文提出了采用镁热燃烧合成的方法制备

(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2高熵粉末，该方法具有高纯度、高固溶度、低成本和

适合工业大批量生产的优点。

以市售过渡金属氧化物粉末为原料，通过镁热燃烧合成制备的高熵

(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2粉末中存在第二相固溶体以及氧化物杂质。反应体系

的绝热温度等于MgO的熔点，低于高熵硼化物的熔点，生成的MgO部分熔化

并剧烈生长，而高熵硼化物保持固态。过渡金属原子需要通过大尺寸的MgO进

行长程扩散，导致过渡金属元素分布不均匀，形成两相固溶体。氧化物法一定

程度上解决了上述高熵硼化物粉末制备的弊端，但仍存在纯度和固溶程度较低

的缺点。

为了解决氧化物镁热燃烧合成法存在的问题，本文提出了一种燃烧合成水

雾法与自蔓延镁热还原法相结合的固溶体镁热燃烧合成法，该方法首先通过燃

烧合成水雾法制备过渡金属氧化物固溶体粉末，提前实现了过渡金属元素的均

匀分布，再通过镁热燃烧合成的方法制备(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2高熵粉末。

与氧化物法相比，氧化物固溶体粉末中过渡金属原子已经均匀分布，在镁热还

原过程中只需要进行短程扩散，从而有利于制备出高纯度、高固溶程度、尺寸

细小的高质量(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2高熵粉末。

采用SPS对氧化物法和固溶体法制备的(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2高熵粉末

进行烧结致密化，并对其力学性能和抗氧化性能进行研究。烧结陶瓷块体的致

密度为81.65-91.39%，硬度为5.0±0.4-19.9±3.9GPa，模量为220.0±43.7-

439.5±32.3GPa，断裂韧性为1.3±0.1-3.5±0.2MPa·m1/2。除力学性能外，制备的

高熵硼化物陶瓷的抗氧化性能同样较好，可在1300℃下保持30min只发生轻微

氧化，比单组元硼化物的快速氧化温度提高了100℃。通过镁热燃烧合成制备

的(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2高熵粉末烧结而成的高熵陶瓷，在较低的致密度下

仍表现出不低的力学性能和抗氧化性能，体现了该方法具有制备高性能超高温

陶瓷的巨大潜力。

关键词:(TiZrHfNbTa)B；超高温陶瓷；燃烧合成；自蔓延镁热还原

0.20.20.20.20.22

Abstract

Withtheincreasingdemandformaterialproperties,traditionalone-component

ultra-hightemperatureceramicsaregraduallyunabletomeetthedemand.Compared

withmonocomponentceramics,thenewmaterialdesignparadigmendowhigh-

entropyceramicswithpropertiesthattraditionalmaterialscantachieve,whichmakes

high-entropyceramicshopefultobecomehigh-performanceultra-hightemperature

ceramicsandmakegreatcontributionsinaerospaceandotherfields.However,the

currentmethodforsynthesizinghigh-entropyboridec