高熵陶瓷研究进展

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高熵陶瓷研究进展

摘 要 高熵陶瓷是一种新兴的等摩尔多组分陶瓷材料，集抗氧化、耐烧蚀、耐腐蚀、超高硬度优秀性能于一体。在空天技术，精密制造等高端领域有着广阔的应用前景。当前高熵陶瓷制备工艺尚不成熟，本文基于近年相关实验，详细阐述了高熵硼化物相关研究成果，对当前高熵体系的相关体系与其特征进行了归纳和总结。

关键词 高熵陶瓷，体系计算，制备方法 0.引言

2004年叶均蔚教授提出了高熵的概念，认为高熵材料内部出现迟滞动力，晶格畸变和非原组元性能。表现出良好的结构稳定性和优异的力学性能，并且展现了全新的电性能和催化性能等性质。高熵陶瓷作为一种新兴等摩尔的多组分陶瓷材料，是一种抗氧化，抗烧蚀，耐腐蚀和超高硬度于一体的优秀材料，具有极大的发展潜力。

1.高熵效应

在高混乱度无序系统中的特殊效应被称为高熵效应。高熵效应有四类：1.热力学中的高熵效应：在高熵系统作用下可以促进元素间的相容性使得多组元复合材料在制备后形成单一相。2.结构的晶格畸变效应：高熵体系中的各组元的原子在晶格点阵中的随机分布，组元之间的结构差距较大，晶体内部的具有比传统复合材料更大的晶格畸变和缺陷。3.动力学迟滞扩散效应：高熵材料内部的扩散和相变速度相对于传统材料较慢，内部反应滞后。4.性能上的鸡尾酒效应，不同组元的性能的不同以及组元之间的相互作用会使得高熵材料产生更加复杂的性质，产生多组元协增效应从而实现性能的飞跃。

2.高熵氧化物

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最早提出高熵陶瓷概念并制备的陶瓷是Rost CM等四制备的五元氧化物陶瓷。他们以MgO、CoO、NiO、CuO、ZnO为原料,球磨混合后烧结制备,并从相转变的可逆性,体系熵与组元的关系和元素的化学环境来分析高熵陶瓷中的高熵效应,在此之后，相关学者将其扩展到到不同的氧化物体系，制备所得的材料具有优异的性能。单相(Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2)1-x-yGyAxO (其中A= Li, Na或K)具有极高的介电常数和超离子电导率；快速燃烧降解法制备的(Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2)O陶瓷粉体在奈耳温度以下表现出长程反铁磁行为,并且在室温下显示出顺磁行为。

3.高熵碳化物

Ye Beilin等首先等用第一性原理对(To0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Hf0.2)C碳化物高熵陶瓷进行了计算。得到0K时的混合焓为(-0.869 ± 0.290)kJ· mol，混合熵为0.805R，因此在室温下的体系吉布斯自由能为(-2.863)kJ· mol，为负值表明该体系理论上为室温稳定。实验制备得到的材料中，过渡金属与碳各组分均匀分布于材料内部，微观硬度相较与各组分提升15%至20%，在后续实验中，该方法制备的过渡金属高熵碳化物高温抗氧化及抗烧蚀能力得到了显著提升。

4.高熵硼化物

Gild J等最早制备了一系列的硼化物高熵陶瓷，其选择单一硼化物粉体，通过放电等离子体烧结的方法制备了(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B等一系列的6种过渡族难溶金属的高熵硼化物陶瓷，这些固溶体陶瓷表现出六方晶体结构、元素分布均匀、原子排列顺序随机，并且具有高于单组元硼化物的硬度和抗氧化性能。Ye Beilin等通过熔融盐辅助合成法在1000℃、氩气气氛下通过热压烧结成功制备了四种不同组元的高熵二硼化物。并测试了高温性能，高熵硼化物陶瓷在开始氧化和明显增重的点都明显高于单组元硼化物，并且在高温抗冲击和抗烧蚀性能方面都有着出色的表现。

5.结语

综上，高熵陶瓷不同于普通陶瓷材料，能够借助高熵效应能够实现极大的性能提升。基于高熵合金理论成分设计出的多组元高熵陶瓷具有特殊的物相和结构，

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较高的力学性能，具有广泛的应用前景，高熵陶瓷由于其优异的性能，本身发展潜力巨大，但现有体系较少，理论研究尚不完善。仍有极大的发展空间。

参考文献

[1] Yeh J W, Chen S K, Lin S J, et al. Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes[J]. Advanced Engineering Materials, 2004,6(5):299-303.

[2] Rost C M, Sachet E, Borman T, et al. Entropy-stabilized oxides[J]. Nature Communications.

[3] Ye B, Wen T, Huang K, et al. First-principles study, fabrication and characterization of (Hf 0.2 Zr 0.2 Ta 0.2 Nb 0.2 Ti 0.2 )C high-entropy ceramic[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2018.

[4] Gild J, Samiee M, Braun J L, et al. High-entropy fluorite oxides[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2018:3578-3584.

[5] Ye B, Fan C, Han Y, et al. Synthesis of high‐entropy diboride nanopowders via molten salt‐mediated magnesiothermic reduction[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2020.

本文来源：https://www.wddqxz.cn/5b12900dedfdc8d376eeaeaad1f34693daef1021.html