低温原位反应烧结制备核-壳结构(Ti, Ta)C-(Ti, Ta)B2-SiC基陶瓷：形成机制与力学性能增强

为解决TiC陶瓷断裂韧性低、烧结温度高的问题，研究人员通过原位反应热压法在1600°C下制备了具有核-壳结构的(Ti, Ta)C-(Ti, Ta)B2-SiC基陶瓷。研究发现，TaB2与Si的添加可调控核-壳结构形成，β-SiC和板状(Ti, Ta)B2显著提升材料韧性（最高达6.97 MPa·m1/2），为高性能超高温陶瓷设计提供了新思路。

　　

过渡金属碳化物TiC因其高硬度（>30 GPa）、低密度（4.9 g/cm3）和优异的耐腐蚀性，被广泛应用于切削工具、航空航天等领域。然而，TiC陶瓷的强共价键特性导致其断裂韧性不足，且传统烧结需极高温度（>2000°C），限制了其实际应用。尽管金属粘结剂（如Ni、Co）可降低烧结温度，但高温下粘结剂软化会损害材料性能。如何兼顾低温烧结与高力学性能，成为该领域的关键挑战。

哈尔滨工业大学的研究团队在《Journal of Materials Science》发表论文，提出通过TaB₂和Si协同调控，在1600°C下原位反应热压制备具有核-壳结构的(Ti, Ta)C-(Ti, Ta)B₂-SiC陶瓷。研究采用热力学模拟（FactSage 7.1）、X射线衍射（XRD）和显微结构分析等技术，系统探究了TaB₂含量（10-30 mol%）对材料性能的影响。

材料制备与热力学分析
通过TiC、TaB₂和Si粉末的固相反应，生成(Ti, Ta)C固溶体和(Ti, Ta)B₂板状晶。热力学计算证实，1600°C下反应完全，无残余Si或TaB₂，最终形成β-SiC和(Ta, Ti)Si₂相。

核-壳结构的形成机制
10 mol% TaB₂添加时，TaC在TiC中扩散不完全，形成以未反应TiC为核、(Ti, Ta)C固溶体为壳的典型结构。裂纹扩展路径分析显示，断裂优先沿壳相发生，表明壳相是能量耗散的关键区域。

力学性能提升
β-SiC和板状(Ti, Ta)B₂通过裂纹偏转和桥联机制增强韧性。10TB-16样品（10 mol% TaB₂）断裂韧性达6.97±0.52 MPa·m^1/2，30TB-16样品（30 mol% TaB₂）抗弯强度达835±39 MPa，兼具高强度与高韧性。

该研究揭示了核-壳结构陶瓷的低温制备路径，其创新性体现在：1）通过TaB₂/Si耦合反应实现1600°C低温烧结；2）核-壳结构设计有效调控裂纹扩展行为；3）板状(Ti, Ta)B₂和纳米β-SiC协同增韧。研究成果为开发新一代超高温陶瓷提供了理论依据和技术支撑。