吉林大学J. Am. Ceram. Soc.：超快高温烧结驱动多主元碳化物高效合成与致密化

过渡金属碳化物（TMCs）凭借其优异的高温与力学性能，是极端环境应用的关键候选材料。通过多主元合金化形成固溶体可进一步提升其性能，但材料固有的高熔点、强共价键及高熵体系中的缓慢扩散效应，使得其致密化与单相形成极为困难。传统烧结技术存在效率低、成本高的问题，而新兴的超快高温烧结技术虽展现出高效制备潜力，但其在多元碳化物体系中的烧结机理、跨熵值范围的系统规律以及单相形成准则仍不明确，亟待深入研究。

论文概要

2026年02月03日，吉林大学沈平教授、郭瑞芬副教授团队在期刊Journal of the American Ceramic Society上发表了题为“Phase Formation and Densification in Ultrafast High-Temperature Sintering of Multi-Principal-Element Carbides”的研究论文。本研究采用超快高温烧结技术，以元素碳化物粉末为前驱体，通过一步原位反应快速制备了2–9组元碳化物固溶体。系统探究了组元数量对致密化、单相形成与力学性能的影响，揭示了Cr₃C₂液相形成与碳空位协同促进快速致密化的机制，阐明了热力学驱动力与动力学约束共同控制单相形成的竞争关系，发现所得材料硬度显著提升但断裂韧性受限，并验证了后续退火对缓解残余应力、提升韧性的有效性。该工作为多元碳化物高通量制备与筛选提供了高效途径，并深入揭示了其非平衡烧结机理。

图文解读

图1：超快高温烧结（UHS）装置示意图

该图展示了UHS设备工作原理：将生坯置于石墨毡内，通过焦耳加热在真空环境中实现极高速率（约600°C/min）升温，利用双色红外测温仪实时监测样品表面温度并进行校准。该装置核心优势在于将材料在数秒至数分钟内加热至3000°C以上，结合超短保温与无压条件，为多元高熔点碳化物的快速烧结提供了关键技术平台。

图2：不同温度烧结后TM₂C与TM₅C样品抛光表面光学显微图

随温度升高，两类样品孔隙率均先显著降低后回升。TM₂C在2000°C、TM₅C在2200°C时密度最优，过高温度导致Cr₃C₂挥发加剧，形成再生孔隙，直观揭示了烧结温度需在促进致密化与抑制组分挥发间取得平衡。

图3：TM₂C与TM₅C样品相对密度与质量损失随温度演变

量化结果显示，相对密度随温度呈先增后降趋势，TM₂C在2000°C达峰值密度99%，TM₅C需2200°C达98%，说明组元增多使致密化更难。质量损失随温度单调上升，尤其在优化温度以上急剧增加，与图2孔隙趋势对应，证实低熔点Cr₃C₂挥发是密度下降主因。

图4：各体系在优化温度与时间下烧结后的表面显微结构

在初步优化温度下，TM₅C–TM₉C密度均＞94%，而TM₃C与TM₄C仅70%与83%。缩短保温时间至30 s后，二者密度提升至93%与94%，表明高温短时保温可有效抑制Cr₃C₂挥发，改善致密化。

图5：优化烧结条件下各体系相对密度与质量损失对比

经优化工艺（TM₂C–TM₄C：2000°C；TM₅C–TM₉C：2200°C；保温时间30–60 s），所有样品质量损失控制在约2%低位，成功实现了从二元到九元体系的高效致密化，为后续相结构与性能研究奠定基础。

图6：TM₂C–TM₉C体系XRD图谱

TM₂C–TM₅C及无ZrC的TM₆C–Mo、TM₇C–MoW、TM₈C–MoWHf均形成单相面心立方固溶体，晶格参数在4.194–4.375 Å之间，且均小于TiC或TaC基体，证实固溶引起晶格收缩（0.8%–4.8%）。而含ZrC体系呈现多相特征，主要由TiC基与TaC基两种固溶体及TaC相组成，表明ZrC存在阻碍单相形成。

图7：各体系抛光表面形貌与对应EDS能谱图

单相体系（如TM₅C）组织致密、元素分布均匀；TM₂C晶界处可见富Cr第二相（Cr₃C₂）。含ZrC多相体系清晰呈现TiC基与TaC基两种固溶相分布，EDS显示Cr、V、Mo富集于TiC基相，Zr、Hf、Nb、Ta倾向TaC基相，出现明显的元素偏聚与化学分区。

图8：各碳化物体系晶粒尺寸分布直方图

单相体系晶粒尺寸呈单峰分布，平均尺寸5–7 μm（TM₅C因烧结温度高为9.5 μm）。多相含ZrC体系晶粒显著细化，平均尺寸1–2 μm，表明第二相抑制晶粒长大。

图9：TM₂C与TM₅C的TEM微观结构表征

TM₂C中Cr₃C₂第二相分散于固溶体晶粒间，高分辨TEM显示二者界面非共格，晶格失配达38%。TEM-EDS揭示界面处Cr向TiC基体扩散的浓度梯度，表明固溶反应仍在进行。TM₅C则呈现均匀单相结构，晶格条纹连续，SAED为单一FCC衍射斑点，EDS证实纳米尺度元素分布均匀。

图10：UHS制备样品与文献中不同方法所得类似成分材料的力学性能对比

本研究中UHS制备的碳化物在纳米硬度、弹性模量、维氏硬度方面与传统方法（热压、放电等离子烧结等）制品相当甚至更优，证明UHS可在极短时间内实现显著的固溶强化，但断裂韧性普遍低于传统烧结材料（1.8–2.6 MPa·m¹ᐟ²）。

图11：退火前后各体系维氏硬度与断裂韧性对比

退火后多数体系硬度轻微下降，但断裂韧性显著提升，如TM₇C–ZrHf与TM₈C–ZrHfMo的KIC增至3.0 MPa·m¹ᐟ²以上。表明退火释放了UHS快速冷却引入的残余应力，在牺牲少量硬度的同时有效激发了材料的本征增韧潜力（如细晶韧化），揭示了硬度与韧性之间的权衡关系可通过后续热处理调控。

总结展望

总之，本研究提出一种基于超快高温烧结的高效合成策略，成功实现了2–9组元碳化物固溶体的快速制备。其致密化机制源于极高升温速率与原位形成的Cr₃C₂液相的协同作用：快速加热抑制了固态骨架形成，液相促进颗粒重排与物质传输，而碳空位进一步降低了原子扩散能垒，从而在无压条件下实现分钟级致密化。单相形成受热动力学双重控制：热力学上，更负的混合吉布斯自由能与更小的晶格参数失配有利于固溶；动力学上，关键组分（如ZrC）在液相中溶解性差、碳空位辅助扩散等障碍最终决定相组成。所得材料展现优异硬度（最高38.6 GPa）但韧性较低，此权衡源于快速冷却导致的残余应力，而后续退火可有效缓解应力、提升韧性，使材料在保持高硬度的同时接近传统烧结材料的韧性水平。该工作不仅为高通量制备与筛选多元碳化物提供了高效、低成本的可行路径，而且通过跨熵值范围的系统研究，深化了对非平衡烧结过程中热-动力学竞争机制的理解，为高性能陶瓷材料的理性设计提供了关键理论依据。未来可探索更精准的“温度-时间”窗口控制、多元液相设计或梯度冷却工艺，以优化应力分布，实现强度与韧性的协同提升。