[发明专利]一种超硬五组元过渡金属碳化物单相高熵陶瓷材料及其制备方法

说明书

一种超硬五组元过渡金属碳化物单相高熵陶瓷材料的制备方法，本发明属于超硬陶瓷材料技术领域，具体涉及一种超硬单相高熵陶瓷材料的制备方法。本发明的目的是要解决现有多组元碳化物的制备方法难以避开氧污染和致密度较难提高的问题。一种超硬五组元过渡金属碳化物单相高熵陶瓷材料的化学式为(Ti_x1Zr_x2Nb_x3Ta_x4M_x5)C。方法：一、称料；二、混合；三、煅烧；四、高温烧结；五、脱模。本发明提高了碳化物的致密度和力学性能，显著的固溶强化作用和高致密度使材料的硬度明显提升。本发明可获得一种超硬五组元过渡金属碳化物单相高熵陶瓷材料。

技术领域

本发明属于超硬陶瓷材料技术领域，具体涉及一种超硬单相高熵陶瓷材料的制备方法。

背景技术

超硬材料在磨料、切削刀具、耐磨涂层等方面有着广泛的应用。近年来开始研究的防弹装甲陶瓷对材料的硬度也有很高的要求。自然界已知最硬的材料是金刚石，但金刚石价格昂贵，且很难加工成复杂形状。常见的陶瓷材料中，立方氮化硼(c-BN)硬度最高，超过50GPa。碳化硼(B₄C)及其复合材料也具有很高的硬度，一般能够超过30GPa。但是c-BN 和B₄C属于强共价键化合物，烧结过程中自扩散系数很低，材料难以烧结成型。此外， c-BN和B₄C材料的韧性较差，一般低于3MPa·m^1/2，限制了其应用。

过渡金属碳化物(如TiC，ZrC，HfC等)硬度只有15～20GPa左右。通过引入其他金属组元，制备二元碳化物陶瓷(如(Ti,W)C，(Zr,W)C等)，硬度可以达到20～25GPa，通过引入更多的组元，陶瓷的硬度可以进一步提高，但是物相和组织调控难度增加，使役环境受限。有研究结果表明，五组元的碳化物陶瓷因为具有较高的混合熵能够有效调控陶瓷物相和组织，且因多组元的固溶强化作用，能够有效提高硬度，但是存在两个问题难以解决：原料粉体的氧污染影响陶瓷烧结性能；制备的陶瓷致密度不高，硬度提高受限。

发明内容

本发明的目的是要解决现有多组元碳化物的制备方法难以避开氧污染和致密度较难提高的问题，而提供一种超硬五组元过渡金属碳化物单相高熵陶瓷材料的制备方法。

一种超硬五组元过渡金属碳化物单相高熵陶瓷材料的化学式为(Ti_x1Zr_x2Nb_x3Ta_x4M_x5)C；所述的M为V、Cr、Mo或W；所述的x1+x2+x3+x4+x5＝1。

一种超硬五组元过渡金属碳化物单相高熵陶瓷材料的制备方法是按以下步骤完成的：

一、称料：

①、称取金属氧化物：

按照钛氧化物、锆氧化物、铌氧化物、钽氧化物和M氧化物的摩尔比为 (1～4):(1～4):(1～4):(1～4):(1～4)分别称取钛氧化物、锆氧化物、铌氧化物、钽氧化物和M氧化物，得到金属氧化物；

②、计算还原性碳粉体的总用量：

按照反应方程式为A_xO_y+(bx/a+y)C＝x/aA_aC_b+yCO分别计算步骤一①中称取的钛氧化物、锆氧化物、铌氧化物、钽氧化物和M氧化物碳化反应时所需要的还原性碳粉体的用量，再进行加和，得到还原性碳粉体的总用量；

步骤一①中所述的反应方程式中A_xO_y代表钛氧化物、锆氧化物、铌氧化物、钽氧化物和M氧化物，A_aC_b代表反应生成的金属碳化物；

③、按照步骤一②中计算的还原性碳粉体的总用量称取还原性碳粉体；

二、混合：