张硕鑫 刘士余2)† 严达利 余浅 任海涛 于彬 李德军

1) (天津师范大学物理与材料科学学院， 天津 300387)

2) (南开大学， 先进能源材料化学教育部重点实验室， 天津 300071)

随着航空航天领域的飞速发展， 极端的环境要求超高温陶瓷材料具有更好的力学性能和超高熔点.目前， 单金属碳化物的超高温陶瓷材料承受的压力日渐增大.为了解决过渡金属单碳化物性能不足的问题， 我们基于密度泛函理论系统地研究了Ta1—xHfxC和Ta1—xZrxC (0 ≤ x ≤ 1)固溶体的物理性质.通过调节Hf和Zr的浓度来研究它们的结构稳定性、晶格参数、力学性能、熔点和电子结构.我们的计算结果表明碳化物固溶体的稳定性随Hf/Zr含量的增加而增加， 并且当Hf/Zr含量相同时， Ta1—xZrxC比Ta1—xHfxC的结构更稳定.我们还发现随着Hf/Zr含量的增加， 固溶体的晶格常数和体积会膨胀.Ta1—xHfxC和Ta1—xZrxC固溶体的体积模量随着Hf/Zr含量的增加而减小， 而固溶体的熔点、杨氏模量、剪切模量、维氏硬度和断裂韧性在掺杂含量x = 0.2处会出现峰值.而且， 添加Hf和Zr可以提高TaC的耐磨性.电子态密度结果显示随着Hf/Zr含量的增加， 固溶体费米能级处的态密度值逐渐降低， 这表明固溶体的结构稳定性逐渐增强.

1 引 言

过渡金属碳化物TaC， HfC和ZrC是应用于航空航天工业的最有前途的超高温陶瓷(UHTC)候选材料， 它们具有强的共价键和低的自扩散系数， 具有超高的熔融温度、高硬度、高模量， 高断裂韧性、高电导率、良好的耐腐蚀性和出色的化学稳定性[1-7].然而， 随着社会日新月异的发展， 单碳化物承受着越……