硅掺杂对高熵(Hf,Ta,Ti,V,Zr)碳化物薄膜结构性能与热稳定性的调控机制研究

为解决极端环境下高熵碳化物(HESC)材料热稳定性与机械性能难以兼顾的难题，奥地利维也纳工业大学(TU Wien)团队通过反应/非反应磁控溅射技术制备了硅掺杂(Hf,Ta,Ti,V,Zr)C薄膜。研究发现硅元素可固溶于面心立方(fcc)金属亚晶格，显著提升沉积速率并维持单相结构至1400°C，硬度(31-36 GPa)与弹性模量(397-427 GPa)保持稳定。该研究为开发新型超高温陶瓷(UHTC)涂层提供了重要理论依据。

　　

在极端环境应用领域，开发兼具高热稳定性和优异机械性能的碳化材料一直是材料科学的重大挑战。传统过渡金属碳化物如HfC和TaC虽具有超高熔点（HfC_0.98达4232K），但存在氧化敏感性高、脆性大等问题。高熵合金(HEA)概念延伸至高熵金属亚晶格陶瓷(HESCer)领域后，由五种以上过渡金属构成的碳化物(HESC)展现出独特的"鸡尾酒效应"，但硅元素对其性能的调控机制尚不明确。

维也纳工业大学(TU Wien)材料科学与技术研究所的M.A. Altaf团队在《Surface and Coatings Technology》发表研究，通过反应性(r)和非反应性(nr)磁控溅射技术制备了(Hf_0.19Ta_0.24Ti_0.25V_0.21Zr_0.11)_1-xSi_xC系列薄膜（x=0-0.21）。研究采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)结合选区电子衍射(SAED)分析晶体结构，通过纳米压痕测试力学性能，并利用热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)评估热稳定性。

3.1 化学与微观结构

XRD和SAED证实所有样品均为单相面心立方(fcc)结构。TEM显示硅掺杂使晶粒尺寸增大，nr系列柱状晶宽度达70nm，而r系列仅20nm。XRF定量显示硅最高占据金属亚晶格21at.%，EDS线扫未发现晶界偏析，表明硅固溶于fcc晶格。

3.2 机械性能

纳米压痕测试显示硬度(H)和弹性模量(E)分别稳定在31-36 GPa和397-427 GPa范围。nr-(Hf,Ta,Ti,V,Zr)C经900°C退火后仅从33.1±3.2 GPa软化至29.1±2.6 GPa，展现出色热机械稳定性。

3.3 热稳定性

TGA检测到1000°C以上碳损失，但XRD证实1400°C退火后仍保持fcc结构。Williamson-Hall分析显示微应变从1.5%降至0.6%，晶格参数从4.53?降至4.48?，归因于缺陷恢复和晶粒长大。

该研究首次阐明硅在高熵碳化物中的固溶行为及其对热-机械性能的协同调控：硅掺杂不仅将沉积速率提升39%（nr系列达54.5 nm/min），还通过抑制碳损失使材料在极端温度下保持结构完整性。这种组分设计策略为开发新一代超高温防护涂层提供了重要参考，在航空航天发动机热端部件等领域具有广阔应用前景。