原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Li C, Gao R, Ouyang H, et al. Hierarchical porous (Ta_0.2Nb_0.2Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2)C high-entropy ceramics prepared by a self-foaming method for thermal insulation. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220909

1、导读

为了满足高超声速飞行器对热防护材料的新需求，开发具有兼具优异力学性能和隔热性能的多孔超高温陶瓷是一大挑战。本文报道了一种新型的多孔(Ta_0.2Nb_0.2Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2)C高熵碳化物陶瓷及其自发泡制备方法。所制备的多孔陶瓷由2 μ m的微球相互连接构成多孔骨架，由20 nm的高熵碳化物颗粒组成微球，形成独特的微纳米多级孔隙结构，使其具有优异的抗压强度(28.1±2 MPa)和极低的室温导热系数(0.046 W·m⁻¹·K⁻¹)。本研究不仅开发了一种新型的超高温热防护用多孔陶瓷，而且为其制备提供了一种经济、便捷的方法。

2、研究背景

高超音速飞行器的热保护系统是其安全飞行的关键，以抵御近空间高超声速飞行造成的极端热载荷。同时为了提高结构效率对热防护系统的轻量化提出了更为苛刻的要求。因此，轻质耐高温抗氧化的热防护与热结构材料成为高超声速飞行器安全飞行的决定性要素。在现有的各种选择中，多孔超高温陶瓷因其固有的特性，如高熔点、低密度、出色的高温稳定性和优异的隔热性能，已成为热保护系统的理想候选材料。尤其是高熵陶瓷，由于多组分和晶格畸变对声子的散射，使其具有低热导率、低扩散速率、高强度等优异特性。因此，多孔高熵陶瓷可实现隔热、承重和耐高温的一体化设计，是在超高温领域中非常有前景的隔热材料。

目前，多孔高熵碳化物陶瓷的制造方法有多种，如模板法、直接发泡法和部分烧结法等。通常采用金属碳化物或氧化物等作为原材料，需要研磨来分散各种成分，以及极高的温度来实现烧结，不仅需要消耗大量能源，而且长时的高温烧结会导致晶粒长大和小孔隙的消失，从而难以调节超高温碳化物高熵陶瓷的孔隙率和孔隙结构。此外，这种固相合成的方法还为高熵碳化物多孔陶瓷的成型和加工带来了极大的不便。与传统的烧结方法相比，多孔陶瓷的聚合物自发泡技术具有陶瓷化温度低、成型方法简单、孔隙结构易调控的优势，已成功在SiC、SiOC、SiCN等多孔陶瓷中得到应用。然而，高熵陶瓷的多组元特点，其前驱体体系复杂，成为自发泡技术制备多孔高熵陶瓷的一大挑战。

基于金属氯盐和糠醇的前驱体体系，本研究开发的多孔高熵陶瓷自发泡制备技术，在室温下实现了前驱体的聚合、发泡、固化成形，经高温热解和烧结得到了具有多级结构的多孔(Ta0.2Nb0.2Ti0.2Zr0.2Hf0.2)C陶瓷。

3、文章亮点

（1）采用自发泡技术制备了具有多级孔隙结构的高熵碳化物陶瓷。

（2）采用金属氯盐和糠醇作为自发泡原料具有低成本、工艺简单的优势。

（3）制备的多孔陶瓷兼具优异的抗压强度和出色的绝热性能。

4、研究结果及结论

（1） 制备的多孔(Ta0.2Nb0.2Ti0.2Zr0.2Hf0.2)C陶瓷具有独特的多级结构。该多孔陶瓷是由尺寸约为2μm陶瓷微球相互连接构成，而陶瓷微球是由20 nm的高熵碳化物颗粒及石墨化的碳复合而成。进而，多孔陶瓷也呈现了多尺度孔隙结构，相互连接的陶瓷微球构成1~10 μm的微米级孔，前驱体的碳热还原在陶瓷微球内部形成了9~12 nm的纳米级孔。

（2） 多级结构使得多孔(Ta_0.2Nb_0.2Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2)C陶瓷具有优异的力学和绝热性能。其密度为0.55 g·cm⁻³，孔隙率达到91.3%，抗压强度达到了28.1 MPa，热导率仅为0.046 W·m⁻¹K⁻¹。与相近孔隙率的多孔高熵陶瓷对比，其热导率降低了72~88%，抗压强度提高了6~10倍。

5、作者及研究团队简介

欧阳海波（通讯作者），工学博士，陕西科技大学教授，博士研究生导师，陕西省青年科技新星，陕西省重点科技创新团队核心成员，主要从事超高温陶瓷和复合材料的低成本绿色制备及功能化应用研究。在Journal of Advanced Ceramics、Ceramics International、Corrosion science等国内外高水平期刊发表学术论文80余篇；授权国家发明专利20余件, 部分成果实现转化。承担了国家自然科学基金、陕西省重点研发项目、国防重点实验室开放基金等10余项纵向科研项目。研究成果获教育部技术发明二等奖1项，陕西省科学技术二等奖2项。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。

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