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随着我国在航空航天、装备制造、国防科技等领域的高速发展,各应用领域对材料的综合性能提出了越来越高的要求。金属基复合材料,尤其是颗粒增强铝基复合材料由于其较高的性价比、优异的综合性能得到人们的广泛关注。过渡金属碳化物陶瓷具有许多优秀的物理和化学性能,如高硬度、高熔点、高模量以及稳定性好等,常用作铝基复合材料的增强体。众所周知,基于高熵效应设计合金,可以赋予合金更加优异的综合性能,而高熵效应对陶瓷材料也可能起到相似的作用。目前国际上关于高熵陶瓷的研究处于起步阶段,国内外关于高熵陶瓷颗粒增强复合材料方面的研究还处于空白状态。因此,研究高熵碳化物颗粒增强铝基复合材料对扩大铝基复合材料应用范围具有重要意义。本文探究了高熵碳化物组元选择规律,并首次研究了 Al-(Ti,V,Nb,Ta)-C体系和Al-(Ti,V,Zr,Ta)-C体系的燃烧合成过程。采用燃烧合成+真空热压的方法,成功地制备了纳米(Ti,V,Nb,Ta)C颗粒增强铝基复合材料;研究了 Al含量、压力等因素对Al-(Ti,V,Nb,Ta)-C体系合成产物相组成的影响,并测试了不同Al含量复合材料的硬度、密度、电导率以及压缩性能。本文的主要研究结果如下:(1)基于热力学理论对高熵陶瓷体系形成可能性进行分析,得出以下结论:Ⅰ.首次提出了一种基于热力学计算与几何模型的简化热力学方法。该简化方法可以用来进行高熵碳化物的形成可能性分析。Ⅱ.通过对 Al-(Ti0.25V0.25Nb0.25Ta0.25)-C 体系和 Al-(Ti0.25V0.25Zr0.25Ta0.25)-C 体系的热力学分析计算,两体系中高熵碳化物的合成反应在热力学上是均可行的,Al-(Ti0.25V0.25Zr0.25Ta0.25)-C 体系的驱动力小于 Al-(Ti0.25V0.25Nb0.25Ta0.25)-C 体系。(2)探究了高熵碳化物组元选择规律,并研究了 Al-(Ti,V,Nb,Ta)-C体系和Al-(Ti,V,Zr,Ta)-C体系燃烧合成过程,具体结论如下:Ⅰ.一元、二元过渡金属体系燃烧合成试验表明,Ti、V、Ta元素互相亲和能力较强,形成多主元碳化物的可能性较大,可以作为高熵碳化物组元设计的首选元素。Ⅱ.Al-(Ti,V,Nb,Ta)-C和Al-(Ti,V,Zr,Ta)-C体系均可以合成出单相高熵碳化物。Al-(Ti,V,Nb,Ta)-C体系合成高熵碳化物所需的温度为1500℃;Al-(Ti,V,Zr,Ta)-C体系需要更高温度才能充分反应。Ⅲ.Al的添加改变了(Ti,V,Nb,Ta)-C体系和(Ti,V,Zr,Ta)-C体系的反应路径。Al不仅会形成多主元素金属间化合物作为中间反应物参与反应,也起到溶剂的作用,显著促进了高熵碳化物固溶体的形成。(3)Al含量和压力均会对Al-(Ti,V,Nb,Ta)-C体系燃烧合成反应产生较大影响:Ⅰ.当Al含量低于30 vol.%时,体系中无法形成单相碳化物;当Al含量为45～60 vol.%时,产物由金属间化合物和(Ti,V,Nb,Ta)C组成;当Al含量为75～90 vol.%时,产物由α-Al相和(Ti,V,Nb,Ta)C颗粒组成。Ⅱ.单相固溶体形成过程中加压不利于高熵碳化物合成反应的进行;当单相高熵固溶体形成以后再对复合材料进行热压则不会改变其相组成。(4)揭示了高熵陶瓷颗粒体积分数对(Ti,V,Nb,Ta)C/Al复合材料的性能的影响。高熵碳化物的加入使(Ti,V,Nb,Ta)C/Al复合材料的的硬度、强度提高,电导率下降。随着高熵碳化物颗粒体积分数的增加,(Ti,V,Nb,Ta)C/Al复合材料的硬度、屈服强度与压缩强度大幅度提高,延伸率小幅度下降,电导率下降。