多尺度相场模拟揭示(Ti,Hf)C复合碳化物陶瓷中调幅分解的纳米层状结构形成机制与协同增韧效应

针对传统碳化陶瓷硬度-韧性难以协同提升的瓶颈问题，Zhixuan Zhang团队通过多尺度相场模拟(PFM)与实验相结合，系统研究了(Ti0.5,Hf0.5)C在1500°C时效过程中调幅分解(spinodal decomposition)诱导纳米层状结构的形成机制及其对裂纹扩展的协同抑制作用。研究构建了涵盖相场晶体(PFC)方法、传统相场模型的多尺度框架，发现10小时时效可获得2745 HV硬度和3.21 MPa·m1/2断裂韧性的最优组合，为极端环境用高性能陶瓷设计提供了新思路。

　　

在航空航天和切削工具等领域，碳化陶瓷(TiC, HfC等)因其卓越的硬度、耐高温和抗腐蚀性能成为不可替代的材料。然而，这类材料长期面临"越硬越脆"的魔咒——硬度提升往往以牺牲韧性为代价，严重制约其在极端环境下的应用。传统方法如颗粒增强或纤维增韧虽能部分改善性能，但难以实现纳米尺度的精准调控。有趣的是，自然界中贝壳珍珠层的"砖泥"结构启示我们：通过自组织形成纳米层状结构，或许能打破这种性能桎梏。

中国的研究团队在《Journal of Materials Science》发表的研究中，将目光投向(Ti,Hf)C复合碳化物中的调幅分解现象。这种特殊的相变过程能在原子扩散驱动下自发形成周期性成分起伏，最终演化为纳米尺度的交替层状结构。与传统的形核-长大机制不同，调幅分解不需要克服能垒，且形成的结构具有独特的协同增强效应。但如何精确控制这种微观结构的演化，并阐明其对力学性能的影响机制，仍是悬而未决的科学难题。

研究人员采用多尺度研究方法：通过CALPHAD(计算相图)方法设计成分，结合碳热还原辅助火花等离子烧结(SPS)制备样品；利用XRD、SEM等表征相组成和微观结构；基于密度泛函理论(DFT)计算关键参数，构建相场晶体(PFC)模型分析晶界缺陷；开发传统相场模型模拟调幅分解过程；最后通过显微硬度计和断裂韧性测试评估力学性能。

Materials preparation
采用分步烧结工艺克服复合碳化物致密化难题：先通过碳热还原反应合成(Ti,Hf)C粉体，再经SPS在1900°C/50 MPa条件下获得致密块体。成分设计遵循Ti_0.3Hf_0.7C、Ti_0.5Hf_0.5C和Ti_0.7Hf_0.3C三组配比，为后续时效处理提供基础。

Phase composition
XRD分析证实所有样品均为单相固溶体，无游离碳或金属杂质峰。Ti_0.5Hf_0.5C的晶格常数介于TiC(4.327 ?)和HfC(4.640 ?)之间，符合Vegard定律，表明成功合成均匀固溶体。

Conclusions
研究建立了首个涵盖原子缺陷识别-介观相变模拟-宏观性能预测的多尺度相场框架。关键发现包括：(1)PFC模拟揭示Hf原子在晶界的偏聚倾向，这种缺陷分布成为后续调幅分解的触发点；(2)1500°C时效时，Ti_0.5Hf_0.5C通过调幅分解形成平均间距18 nm的层状结构，其周期性成分波动幅度达±15%；(3)裂纹扩展模拟显示层状结构通过裂纹偏转、分支和桥接等机制，使断裂功提升40%；(4)实验验证10小时时效样品实现硬度(2745 HV)与韧性(3.21 MPa·m^1/2)的协同突破，较未时效样品分别提高22%和35%。

该研究不仅为理解调幅分解的微观机制提供了新视角，更通过"计算指导实验"的模式，示范了如何通过精准控制相变过程来设计高性能陶瓷。所开发的多尺度模拟框架可推广至其他具有调幅分解特性的材料体系，如高熵陶瓷或超硬合金，为开发下一代极端环境材料提供了方法论基础。文末作者特别指出，未来可通过引入第三组元(如Ta、Nb)进一步优化层状结构稳定性，这将是团队下一步的研究方向。