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研究背景

碳化物陶瓷是一类典型的高性能结构材料，兼具高硬度、高熔点和优异热稳定性，在高温服役和极端环境应用中展现出重要价值。但受强共价键特征影响，这类材料通常存在本征脆性较高、断裂韧性不足的问题，硬度与韧性难以兼顾，严重限制了其服役可靠性和应用范围。

调幅分解能够在材料内部构筑纳米尺度片层组织，为碳化物陶瓷的硬韧化提供了新的组织设计思路。已有研究表明，这类片层结构可显著改变材料内部的应力分布和裂纹扩展路径，从而对综合力学性能产生重要影响。然而，调幅分解组织如何形成、如何演化，以及其与晶界缺陷、裂纹传播之间的耦合关系，仍是当前研究中的关键科学问题。

因此，有必要结合实验与多尺度模拟手段，从原子尺度到介观尺度系统揭示复合碳化物陶瓷调幅分解行为及其力学响应机制，为先进碳化物陶瓷的组织调控和性能优化提供理论依据。

本文亮点

图文解析

相场晶体模拟揭示了Ti富集相与Hf富集相之间由于晶格常数差异而形成的相干界面及位错台阶结构。该类界面缺陷一方面反映出调幅分解界面附近较强的局部应变特征，另一方面也为理解片层组织对位错滑移的阻碍作用提供了微观依据。

图1 采用相场晶体方法构建的界面模型：（a）Ti富集区与Hf富集区之间的界面；（b）Hf富集区微观结构；（c）半共格界面结构；（d）Ti富集区微观结构

基于实验参数和热力学输入构建的传统相场模型表明，(Ti_0.5, Hf_0.5)C在1500 °C时效过程中，片层结构首先在晶界附近形成，随后逐步向晶内扩展，最终构成纳米尺度调幅组织。该结果与实验观察一致，说明多尺度相场模型能够较好反映真实体系中的组织演化行为。

图2 (Ti_0.5, Hf_0.5)C复合碳化物在1500 ℃下调幅分解过程的模拟组织演化：（a）0步；（b）3000步；（c）4000步；（d）5000步；（e）6000步；（f）30000步；以及AB线在0、3500、4000、4500和7000步对应的浓度分布曲线

图3 (Ti_0.5, Hf_0.5)C复合碳化物调幅组织中的裂纹扩展行为：（a）模拟中二维调幅组织示意图；（b）沿X轴施加外部单轴应变ε=0.002的模拟设置；（c-j）案例1和案例2中不同初始位置裂纹的演化过程，图（1-4）显示裂纹尖端位于黄色虚线圆圈内时的 von Mises 应力分布；（i）1500 ℃退火10 h后（Ti,Hf）C复合碳化物的裂纹形貌，白色虚线标示了发生穿晶断裂和沿晶断裂的晶界

总结与展望

该研究构建了适用于复合碳化物陶瓷调幅分解行为研究的多尺度相场模拟框架，系统揭示了(Ti, Hf)C陶瓷在时效过程中纳米片层结构的形成机制及其对裂纹扩展和力学性能的影响规律。研究表明，调幅分解诱导形成的纳米片层结构能够通过位错钉扎、裂纹偏转和增加断裂能耗等机制实现硬度与韧性的协同提升；但当片层过度粗化后，材料性能会出现下降。该工作不仅为复合碳化物陶瓷的组织设计与性能优化提供了理论基础，也展示了多尺度模拟方法在先进结构陶瓷设计中的应用潜力。未来，相关研究框架还有望拓展至更复杂的多元碳化物体系，为极端环境服役结构陶瓷的成分设计、组织调控与性能预测提供更强支撑。

作者介绍

王伟礼，山东大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师。长期致力于特种陶瓷、先进陶瓷基复合材料及新型氮化物材料领域的研究，在相关材料的设计制备、微观结构调控、性能提升及工程应用方面开展了系统工作。主持国家重点研发计划子课题、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金等各类项目10余项；在 Adv. Funct. Mater.、Acta Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、J. Am. Ceram. Soc.、Ceram. Int. 等期刊发表高水平论文50余篇，授权国家发明专利多项。

张伟彬，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材料、特种陶瓷材料与材料基因工程领域的研究。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等各类项目10余项；在Acta Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., J. Mater. Sci. Technol. 等国际知名期刊发表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》等多个期刊青年编委。