原创J Adv Ceram先进陶瓷·高熵陶瓷

J Adv Ceram

期刊

文章导读

本文开发了一种基于Ti₃AlC₂反应烧结的低温致密化新策略，通过原位分解形成TiCₓ和Al的双激活机制，在1550°C下实现了高熵(TiVNbTaMo)Cₓ陶瓷的高效致密化。研究表明，原位生成的TiCₓ加速了过渡金属碳化物之间的互扩散和固溶体形成，而释放的Al有效激活了颗粒界面。优化样品（0.6 wt% Ti₃AlC₂）的相对密度达98.5%，维氏硬度22.94 GPa，抗弯强度1018 MPa，断裂韧性5.67 MPa·m¹/²。此外，界面改性使材料在室温至900°C范围内保持稳定的摩擦系数，展现出优异的高温耐磨性能。该策略为先进高熵陶瓷的低温和可规模化制备提供了新途径。

重点部分·图文解读

图1：反应前驱体辅助烧结策略示意图与物相表征

图1(a)：反应前驱体辅助烧结策略示意图。Ti₃AlC₂在SPS过程中分解为TiCₓ和Al，原位形成的TiCₓ加速过渡金属碳化物粉末之间的互扩散和固溶体形成，释放的Al有效激活颗粒界面，最终实现高熵碳化物陶瓷（HECC）的致密化。

图1(b)：HECC-0至HECC-4样品的XRD图谱与密度分析。所有样品均呈现单一的岩盐结构（空间群Fm3̄m），表明形成了面心立方固溶体。当Ti₃AlC₂:TiC比例超过16.67:60时，单相结构无法维持。密度分析显示相对密度呈火山型变化，在HECC-2处达到最大值99.4%。

图2：TEM表征与元素分布

图2：HECC-1样品的TEM表征。(a) 明场TEM图像；(b) 沿[100]带轴的选区电子衍射（SAED）图案，证实单一FCC结构；(c) 高分辨TEM图像，晶面间距约0.22 nm，对应(002)晶面；(d-f) 非晶Al₂O₃区域的亮场和HRTEM图像；(g) STEM图像及Ti、V、Nb、Ta、Mo、Al的EDS元素面分布，显示五种过渡金属元素均匀分布，仅检测到约0.01 at%的微量Al。

图3：XPS化学态分析

图3：HECC-1的XPS高分辨谱。(a) C 1s谱中~282.03 eV的主峰对应C-TM共价键，~284.80 eV的弱肩峰为C-C键；(b) Ti 2p谱中~454.31/462.93 eV对应Ti-C键，~459.71/466.33 eV对应Ti-O键；(c-f) V 2p、Nb 3d、Ta 4f和Mo 3d谱均显示以M-C键为主，伴有少量氧化物。结果表明Ti、V、Nb、Ta、Mo主要以碳化物态存在，仅存在轻微表面氧化。

图4：断口形貌与晶粒尺寸分布

图4：HECC-0至HECC-4样品的断口形貌及晶粒尺寸统计。(a) HECC-0平均晶粒尺寸~0.71 μm，存在宏观孔隙；(b) HECC-1平均晶粒尺寸~0.68 μm，尺寸分布更均匀；(c) HECC-2平均晶粒尺寸~0.69 μm；(d) HECC-3平均晶粒尺寸~0.80 μm；(e) HECC-4平均晶粒尺寸~1.03 μm，出现明显晶粒粗化。适量Ti₃AlC₂添加（HECC-1）有效抑制晶粒生长，过量添加则促进晶粒粗化。

图5：力学性能与Ashby对比图

图5(a)：HECC-0至HECC-4样品的抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度（9.8 N载荷）。HECC-1的抗弯强度最高（~1018 MPa），断裂韧性达5.67 MPa·m¹/²，维氏硬度在HECC-2达到峰值。HECC-1同时实现了强度和韧性的同步提升，这归因于更高的致密化程度和更细的晶粒尺寸。

图5(b)：HECC-1与文献报道高熵陶瓷的Ashby对比图。HECC-1在维氏硬度和抗弯强度方面超越了大多数已报道的高熵碳化物及其复合材料，展现出优异的力学性能。

图6：维氏压痕与裂纹扩展行为

图6：9.8 N载荷下的维氏压痕形貌及裂纹扩展路径。(a,b) HECC-1：观察到细锯齿状裂纹，伴有裂纹钝化、偏转和桥接等多种裂纹相互作用模式；(c,d) HECC-2：裂纹偏转明显；(e,f) HECC-3：出现裂纹分叉；(g,h) HECC-4：裂纹偏转。HECC-1和HECC-2中有效的裂纹尖端屏蔽机制显著提高了断裂抗力。

图7：高温摩擦学性能

图7：HECC-0和HECC-1在室温至900°C的摩擦系数曲线及磨损率。(a,b) HECC-0的COF随温度变化显著，从室温0.53降至600°C的0.39，900°C时再次上升；磨损率从室温1.53×10⁻⁶ mm³/(N·m)增至高温的(1.70-3.30)×10⁻⁵ mm³/(N·m)。(c,d) HECC-1的COF在整个温度范围内保持稳定（0.55-0.63），磨损率在300°C出现峰值后趋于稳定。Ti₃AlC₂改性使材料获得了稳定的高温摩擦行为。

图8：磨损表面形貌与元素分布

图8：HECC-1在不同温度下的磨损表面形貌及元素分布。(a) 室温：机械磨损伴随第三体转移，Nb和Mo在未磨损区域富集；(b) 300°C：磨损轨迹明显变宽变深，表明真空环境下氧化不足导致暂时性磨损恶化；(c) 600°C：磨损表面趋于稳定；(d) 900°C：表面形成致密且粘附的复合膜，Nb/Ta富集氧化物提供强粘附性和结构稳定性，Mo/V氧化物贡献润滑特性。Al的引入促进了不连续且易剥落的氧化膜形成，持续更新接触表面，维持稳定摩擦系数。

图9：Si₃N₄对偶球磨损形貌

图9：Si₃N₄对偶球在不同温度下的磨损表面形貌及金属元素分布。(a-d) HECC-0：室温磨损痕直径761 μm，300°C为578 μm，600°C为671 μm，900°C为778 μm；(e-h) HECC-1：室温磨损痕直径1013 μm，300°C显著增大至2027 μm，600°C降至967 μm，900°C为753 μm。HECC-1在300°C时产生更大的磨损痕迹，但高温下对偶球表面光滑无粘附沉积物，表明摩擦层主要保留在陶瓷表面而非转移至对偶，实现了非粘着磨损行为。

文章总结

Conclusion

本研究提出了一种Ti₃AlC₂辅助反应烧结策略，实现了高熵碳化物陶瓷的高效低温致密化。Ti₃AlC₂的反应分解同时通过原位形成的TiCₓ加速互扩散，并通过释放的Al激活颗粒界面，实现了快速致密化和微观结构细化。添加0.6 wt% Ti₃AlC₂的样品（HECC-1）在1550°C下达到98.5%的相对密度，维氏硬度22.94 GPa，抗弯强度1018 MPa，与现有高熵碳化物最高水平相当，同时保持适中的韧性。此外，烧结过程中的界面改性促进了高温下的稳定摩擦和非粘着磨损行为，表明其在高温耐磨部件中的应用潜力。该反应原位烧结方法为制备致密、高强高熵碳化物提供了一种通用且节能的途径。

文章信息

致谢作者

发布日期：2026年1月5日

文章标题：Reactive-precursor-assisted low-temperature densification of high-entropy (TiVNbTaMo)Cₓ ceramics with tunable mechanical and tribological properties

标题翻译：反应前驱体辅助高熵(TiVNbTaMo)Cₓ陶瓷的低温致密化及其可调控的力学与摩擦学性能

期刊名称：《Journal of Advanced Ceramics》

DOI：10.26599/JAC.2026.9221242

通讯作者单位：郑州大学材料科学与工程学院

通讯作者：王海龙（119whl@zzu.edu.cn）、李伟（liw@zzu.edu.cn）

资助项目：国家自然科学基金（U23A20562, 52172075, 52402079）；河南省高校科技创新团队支持计划（23IRTSTHN001）；河南省重大基础研究项目（252310420100）

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