2025-06-11 18:17 38
硼化物金属陶瓷是一种由硼化物陶瓷硬质相和金属黏结相组成的金属陶瓷，根据硼化物组成元素的数量不同，可分为二元硼化物和三元硼化物两种金属陶瓷。二元硼化物存在烧结性差、脆性大、共价键较强、高温抗氧化性差等缺点，且易与金属黏结相发生反应，难以通过传统粉末冶金方法制备成致密的金属陶瓷材料[1-7]。相比之下，三元硼化物具有良好的烧结性以及耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，且结构稳定，可采用成熟、简便的烧结工艺得到致密的金属陶瓷[8-10]。自20世纪80年代首次成功制备出Mo2NiB2、Mo2FeB2、MoCoB等三元硼化物金属陶瓷以来[11]，三元硼化物金属陶瓷便持续受到学者们的关注。
三元硼化物属于间隙相化合物[12]，存在硼与硼原子形成的共价键以及与金属原子形成的离子键等，这使得三元硼化物金属陶瓷具有高强度、高耐磨和高耐腐蚀性能。金属陶瓷中的黏结相通常为铬、镍、钒、铁等金属材料，黏结相的均匀分布可以提高金属陶瓷的致密程度，有效传递应力，从而提高金属陶瓷的强度和韧性。李文虎等[13]在Mo2NiB2金属陶瓷中掺杂不同含量的钨粉，采用冷压成型法和真空液相烧结法制备金属陶瓷，随着钨含量的增加，金属陶瓷的断裂韧性和弯曲强度下降，硬度显著提高，最高可达84.2 HRA。硬度提高是因为钨固溶到陶瓷硬质相中，使得陶瓷晶粒发生一定程度的晶格畸变，从而提高了金属陶瓷抵抗外力的能力。SHIOTA等[14]在Mo2NiB2金属陶瓷中同时掺杂钒和铬元素，发现掺杂质量分数10%钒和质量分数2.5%铬后金属陶瓷的硬度达到最大，为88.3 HRA。TAKAGI等[15-16]研究了添加不同含量铬和锰元素对Mo2NiB2金属陶瓷性能的影响，发现：随着铬含量增加，金属陶瓷的密度降低，整体性能提高，横向断裂强度最大为500 MPa;随着锰含量增加，金属陶瓷的横向断裂强度呈先增大后减小的趋势，最大可达2.5 GPa。
上述研究均采用试验方法来探究金属陶瓷的性能，试验方法存在易受外界环境温度因素影响、操作易产生误差、试验周期长、自然资源浪费等问题，并且难以获得原子内部结构信息。第一性原理是在量子力学原理的基础上，依据原子核和电子之间的相互作用以及基本运动规律，通过计算获得内部结构信息的一种方法，与其他模拟方法相比，其精度更高，结果更精确。目前，利用第一性原理对激光熔覆[17-20]、等离子喷涂[21-22]等制备的三元硼化物金属陶瓷涂层力学性能及三元硼化物的结构稳定性、电子结构等进行模拟计算的研究越来越受到关注。为了给相关研究人员提供参考，作者介绍了三元硼化物金属陶瓷的结构特点及性能，对第一性原理模拟计算三元硼化物金属陶瓷性能的研究现状与进展进行了综述，提出了第一性原理在计算三元硼化物金属陶瓷性能方面存在的问题，并对未来的相关应用和发展方向进行了展望。