科学网—山东大学张伟彬/张志轩等：调幅分解—析出双机制协同，实现高熵碳化物硬度与韧性协同提升-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-8-17 08:45
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Zhang Z, Li N, Zhang Z, et al. Multi-scale hardening and toughening of (Ti,Zr,V,Nb,Mo)C high-entropy carbides through coexisting phase separation and precipitation mechanisms. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221357
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221357
ResearchGate ： Multi-scale hardening and toughening of (Ti,Zr,V,Nb,Mo)C high-entropy carbides through coexisting phase separation and precipitation mechanisms
1 、 导读
高熵碳化物陶瓷具有优异的硬度、耐磨性和热稳定性，但其固有的硬韧性权衡难题限制了可靠应用。调幅分解能够通过形成纳米尺度两相结构改善材料力学性能，然而，单一调幅分解机制的增韧效果仍受到陶瓷本征脆性的制约。本研究以 (Ti, Zr, V, Nb, Mo)C 为例，通过调控亚稳相变行为，使调幅分解与析出两种机制在同一体系中协同发生。研究发现，两种相变形成的不同界面及其诱导的位错、孪晶和层错等缺陷可构筑多尺度强韧化结构，最终实现高熵碳化物硬度与韧性的协同提升。
图 1. 高熵碳化物多尺度硬韧协同提升机制示意图。
2 、 研究背景
过渡金属碳化物因其高硬度、耐磨损和优异的热稳定性，在航空航天、高温防护和耐磨部件等极端环境中具有重要应用潜力。然而，硬与韧的矛盾始终限制着这类陶瓷材料的性能提升。碳化物调幅分解能够在单相固溶体内部形成纳米尺度的两相结构及高密度界面，通过界面应变和位错钉扎实现强化与增韧；弥散第二相析出可在局部产生更强的钉扎和裂纹偏转作用。高熵碳化物具有复杂的成分与自由能空间，为两种相变机制的协同调控提供了可能。因此，如何在同一高熵碳化物体系中同时激活调幅分解与析出，并利用不同尺度的界面和缺陷实现硬韧协同提升，是值得探索的新型组织设计思路，具有重要的科学意义。
3 、文章亮点
（ 1 ）通过调控 (Ti, Zr, V, Nb, Mo)C 高熵碳化物的亚稳相变行为，在同一体系中实现调幅分解与析出两种机制的协同发生，构筑了多尺度复合组织，突破了单一相变组织调控模式。
（ 2 ）揭示了半共格调幅界面与非共格析出界面的协同作用，并发现高密度位错、孪晶和层错等缺陷共同参与强韧化，建立了界面、缺陷、相变组织的多尺度协同机制。
（ 3 ）通过优化时效处理获得优异的硬韧综合性能，最佳状态下材料硬度和断裂韧性较烧结态分别提高约 36% 和 45% ，验证了调幅分解与析出协同调控策略的有效性。
4 、研究结果及结论
本研究通过时效处理，在 (Ti, Zr, V, Nb, Mo)C 高熵碳化物中成功诱导了调幅分解与析出协同发生，形成富 (Ti, V, Mo)C/ 富 (Zr, Nb)C 调幅分解结构与 ZrC 富集析出相共存的复合组织。 TEM 结果表明（图 2 ），调幅分解两相之间形成半共格界面，而 ZrC 富集析出相与周围基体之间形成非共格界面，两类界面分别提供长程应变场和局部钉扎作用，共同阻碍位错运动和裂纹扩展。
图 2. (Ti, Zr, V, Nb, Mo)C 高熵碳化物界面结构分析：（ a ） STEM-HAADF 及元素分布，（ b ）两相 HRTEM 图，（ c ） IFFT 图，（ d ） GPA 应变分布，（ e ） HRTEM 图，（ f ， g ）两相 FFT 图，（ h ）界面 HRTEM 图，（ i ） GPA 应变分布，（ j ） FFT 图，（ k ） FFT 图。
进一步观察发现，调幅分解区域中形成了大量位错和位错网络，而 ZrC 富集析出相内部则存在丰富的孪晶和层错。多种缺陷协同阻碍位错滑移，并为裂纹扩展过程提供额外的能量耗散途径（图 3 ）。
图 3. (Ti, Zr, V, Nb, Mo)C 高熵碳化物的缺陷结构分析：（ a ）形貌图，（ b ） GPA 应变图，（ c ） IFFT 图，（ d ）位错，（ e ）缺陷形貌，（ f ） HRTEM 图，（ g ） GPA 应变图，（ h ， i ） IFFT 图，（ j ） HRTEM 图，（ k ） IFFT 图，（ l ） FFT 图，（ m ） GPA 应变图，（ n ）缺陷形貌，（ o ） HRTEM 图，（ p ） IFFT 图，（ q ） FFT 图，（ r ） GPA 应变图。
裂纹扩展过程中，在调幅分解区域和 ZrC 富集析出相附近可观察到明显的裂纹路径改变和钉扎现象。界面阻碍、裂纹路径扰动以及缺陷辅助能量耗散共同促进了材料断裂韧性的提升（图 4 ）。
图 4. (Ti, Zr, V, Nb, Mo)C 高熵碳化物的裂纹扩展行为：（ a ） 1300 °C 时效 20 h 样品的压痕裂纹形貌；（ b ） 1100–1500 °C 时效 20 h 样品的代表性裂纹扩展路径。
综上所述，本研究构筑了由半共格 / 非共格界面、位错网络、孪晶和层错共同组成的多尺度强韧化结构。不同尺度的界面与缺陷协同作用，形成 “ 相变组织 — 界面 — 缺陷 — 裂纹 — 性能 ” 的闭环机制，最终实现了 (Ti, Zr, V, Nb, Mo)C 高熵碳化物硬度与韧性的同步提升（图 5 ）。
图 5. (Ti, Zr, V, Nb, Mo)C 高熵碳化物多尺度协同强韧化机制示意图
5 、作者及研究团队简介
张伟彬（通讯作者） ，山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。国家重点研发计划青年科学家项目首席科学家，山东大学齐鲁青年学者。长期致力于高性能硬质耐磨陶瓷与材料基因工程领域的研究。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重点研发计划、河南省重点研发等省部级项目 10 余项；在 J. Adv. Ceram. 、 Adv. Funct. Mater. 、 Adv. Energy Mater. 、 Acta Mater. 、 J. Mat er. Sci. Technol. 、 Rare Met. 等期刊发表 SCI 论文 100 余篇，授权国家发明专利 10 余项。担任 “ 高端功能与智能材料 ” 国家重点研发计划总体专家组专家，《 Materials Genome Engineering Advances 》《材料工程》《航空材料学报》等多个期刊青年编委。
个人主页： https://www.cmse.sdu.edu.cn/info/1586/25510.htm
研究方向：高性能硬质耐磨陶瓷、材料基因工程
作者邮箱： zhangweibin@sdu.edu.cn
作者 ORCID ： https://orcid.org/0000-0001-6584-5053
张志轩 ，山东大学材料科学与工程学院博士研究生，主要从事高性能碳化物陶瓷调幅分解强韧化及多尺度计算与数据驱动材料设计研究。以第一作者在 Adv. Funct. Mater. 、 J. Adv. Ceram. 、 Acta Mater. 、 J. Mater. Sci. Technol. 、 Rare Met. 等期刊发表论文 10 篇。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Zhang Z, Zhang Z, Chang G, et al. Nitrogen-induced stacking fault energy reduction enables spinodal-decomposition-driven toughening in (Ti,Zr)C ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(11): 9221188. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221188
《先进陶瓷（英文）》 （ Journal of Advanced Ceramics ）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社有限公司 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2026 年 6 月发布的影响因子为 14 ，连续 6 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 34 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2026 年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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