隨著新一代高超聲速飛行器飛行馬赫數(shù)的不斷提升，對(duì)隔熱材料的力學(xué)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和耐溫性提出了更嚴(yán)苛的要求。兼具優(yōu)異力學(xué)強(qiáng)度及隔熱屬性的多孔陶瓷材料一直是研究學(xué)者的追求目標(biāo)。然而，這兩種屬性在一定程度上相互制約，對(duì)于傳統(tǒng)的多孔陶瓷來(lái)說(shuō)往往難以兼得。通過(guò)簡(jiǎn)單降低多孔陶瓷的相對(duì)密度，可顯著提高材料的隔熱性能（≤1 W m-1 K-1），但這又往往導(dǎo)致材料力學(xué)強(qiáng)度的大幅下降（≤10 MPa）。同時(shí)，多孔陶瓷材料的耐溫普遍有限（≤1500 ℃），高溫服役過(guò)程中常面臨著體積收縮、力學(xué)性能衰減等問(wèn)題，無(wú)法滿足日益嚴(yán)苛的服役需求。

針對(duì)上述問(wèn)題，華南理工大學(xué)褚衍輝團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即通過(guò)利用超快速高溫合成構(gòu)造亞微米級(jí)超細(xì)孔、構(gòu)建顆粒間的強(qiáng)界面以及引入9元金屬陽(yáng)離子嚴(yán)重晶格畸變，成功制備了兼具超強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度和高隔熱的高熵多孔硼化物陶瓷材料。該材料在50%氣孔率下，實(shí)現(xiàn)了337 MPa的壓縮強(qiáng)度以及0.76 W m-1 K-1的熱導(dǎo)率。同時(shí)，該材料還展現(xiàn)出了2000℃高溫穩(wěn)定性，2000℃熱處理后收縮率僅為2.4%。2000℃原位高溫過(guò)程中出現(xiàn)塑性形變，伴隨著材料的逐漸致密化，最終力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到了690 MPa。相關(guān)研究結(jié)果以題為Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High-Entropy Ceramics up to 2000 °C發(fā)表于Advanced materials上。華南理工大學(xué)的莊磊副教授和褚衍輝研究員為共同通訊作者，博士研究生文子豪和碩士研究生唐忠宇為共同第一作者。華南理工大學(xué)為唯一通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202311870

1、高熵多孔陶瓷材料的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該多孔材料具備優(yōu)異力學(xué)和熱學(xué)性能的關(guān)鍵。如圖1所示，在微米尺度上，通過(guò)超高溫快速合成技術(shù)在數(shù)十秒內(nèi)完成燒結(jié)，抑制晶粒生長(zhǎng)，進(jìn)而在材料內(nèi)構(gòu)筑均勻分布的亞微米級(jí)超細(xì)孔隙。在納米尺度上，通過(guò)進(jìn)一步固溶反應(yīng)，建立晶粒之間強(qiáng)界面結(jié)合。在原子尺度上，通過(guò)引入9元陽(yáng)離子嚴(yán)重晶格畸變，提高晶格內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)和質(zhì)量場(chǎng)波動(dòng)，提高硼化物的本征力學(xué)強(qiáng)度。

圖1. 高熵多孔陶瓷多尺度設(shè)計(jì)示意圖：a) 第一步：金屬氧化物和硼粉均勻混合。b) 第二步：利用超高溫快速合成設(shè)備通過(guò)硼熱還原形成固溶化合物。c) 第三步：使用超高溫快速合成設(shè)備形成單相9元高熵多孔陶瓷。多尺度設(shè)計(jì)具有以下特征：d) 超細(xì)孔隙，e) 高質(zhì)量界面，f) 晶格畸變。

2、高熵多孔陶瓷材料的結(jié)構(gòu)表征

本工作以硼粉及高熵氧化物陶瓷粉為起始原料，利用高溫硼熱還原原理，結(jié)合超高溫快速合成設(shè)備（數(shù)十秒內(nèi)完成升降溫），實(shí)現(xiàn)了單相9元高熵多孔陶瓷材料的燒結(jié)制備。借助XRD和精修計(jì)算，驗(yàn)證了所合成的為單相硼化物陶瓷材料。通過(guò)高精度CT成像，證明了亞微米級(jí)超細(xì)孔隙在材料內(nèi)部的均勻分布。利用高分辨TEM，證實(shí)了在陶瓷顆粒間界面結(jié)合狀態(tài)良好，不存在缺陷和非晶相；同時(shí)計(jì)算了晶格內(nèi)部的應(yīng)力分布，證明了其中存在著嚴(yán)重的晶格畸變。

圖2. 樣品的制備和表征：a) 超高溫合成制備的升降溫過(guò)程。b) XRD衍射圖譜。c) XRD衍射精修計(jì)算。d) CT重建3D圖像。e) 3D重建結(jié)構(gòu)中的孔隙尺寸分布。f) SEM圖像。g) 顆粒的TEM及其對(duì)應(yīng)的傅里葉變換（FFT）圖。h) 原子彈性應(yīng)變映射。

3、元素均勻性表征

如圖3所示，通過(guò)SEM-EDS和TEM-EDS，證明了在微米和納米尺度上，所有金屬元素均勻分布，未出現(xiàn)任何元素的偏析。

圖3. 樣品的元素分布：a) SEM圖像及其相應(yīng)的EDS能譜。b) TEM透射圖像及其相應(yīng)的EDS能譜。

4、力學(xué)性能測(cè)試

如圖4 所示，所制備的高熵多孔陶瓷材料展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度，例如50%氣孔率下壓縮強(qiáng)度為337 MPa，顯著高于已報(bào)到的多孔陶瓷材料。材料在1500℃高溫原位壓縮測(cè)試中力學(xué)強(qiáng)度保持率＞95%，達(dá)到332 MPa。特別地，材料在1800和2000℃的高溫下由脆性斷裂行為轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s塑性變形行為，壓縮過(guò)程中伴隨著材料的致密化，最終在約49%應(yīng)變下強(qiáng)度達(dá)到了690 MPa。相較于目前已報(bào)道的其他多孔陶瓷，該材料展現(xiàn)出了出色的高溫壓縮強(qiáng)度。

圖4. 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果：a) 不同孔隙率樣品的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b) 孔隙率45-55％范圍內(nèi)樣品壓縮強(qiáng)度的Weibull分布。c) 力學(xué)強(qiáng)度與報(bào)道的多孔陶瓷對(duì)比。d) 1500、1800、2000°C原位壓縮過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。e) 1800和2000°C下原位測(cè)試過(guò)程中樣品的應(yīng)力-孔隙率變化曲線。f)測(cè)試工作溫度和力學(xué)強(qiáng)度與已報(bào)道的多孔陶瓷對(duì)比。

5、熱導(dǎo)率及高溫穩(wěn)定性測(cè)試

所制備的高熵多孔材料同時(shí)還展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫隔熱性能和熱穩(wěn)定性。如圖5所示，材料在50%氣孔率下，熱導(dǎo)率可低至0.76 W m -1 K-1。在進(jìn)行1000、1500、2000℃高溫?zé)崽幚砗螅牧系捏w積尺寸幾乎未發(fā)生任何變化（2000℃時(shí)收縮率僅為2.4%），力學(xué)強(qiáng)無(wú)衰減，具有出色的高溫?zé)岱€(wěn)定性。

圖5. 樣品的熱導(dǎo)率及高溫?zé)岱€(wěn)定性測(cè)試結(jié)果：a) 室溫至300 ℃材料的熱導(dǎo)率 T，比熱容量Cp和熱擴(kuò)散率 變化情況。b) 熱導(dǎo)率、壓縮強(qiáng)度與已報(bào)到的多孔陶瓷對(duì)比。c) 1000、1500和2000℃熱處理后樣品的體積收縮、平均晶粒尺寸和熱導(dǎo)率 T的變化情況。d) 1000、1500和2000℃熱處理后樣品的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

結(jié)論與展望：

本工作通過(guò)多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合超高溫快速燒結(jié)技術(shù)，成功制備了兼具優(yōu)異力學(xué)和隔熱性能的高熵多孔陶瓷材料。該材料的優(yōu)異性能主要源于微觀尺度上構(gòu)筑的超細(xì)孔，納米尺度上強(qiáng)晶間界面結(jié)合，以及原子尺度上嚴(yán)重晶格畸變。該高熵多孔陶瓷材料在航空航天、能源化工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

感謝國(guó)家自然基金委（52122204和51972116）項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2022YFB3708    600）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（202201010632）的資助。