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

Cite this article:

Ying H, Guo Q, Wen Y, et al. Toughening and high-temperature self-lubricating of high-entropy boride ceramics through h-BN. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221120

文章DOI：DOI: 10.26599/JAC.2025.9221120

ResearchGate：Toughening and high-temperature self-lubricating of high-entropy boride ceramics through h-BN

1. 导读

近日，西北民族大学郭启龙教授团队联合中国科学院兰州化学物理研究所樊恒中研究员团队，以高熵 (Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2Nb_0.2Ta_0.2)B₂（HEB）陶瓷为基体，引入六方氮化硼（h-BN）作为增韧/润滑相，成功制备了HEB-hBN复相陶瓷。利用h-BN的高长径比与片层结构，通过裂纹偏转与桥联机制协同优化应力扩展路径，使复相陶瓷的断裂韧性显著提升近70%。同时，h-BN的层间滑移效应与高温氧化生成的B₂O₃及金属氧化物协同形成梯度润滑膜，显著改善了材料的高温摩擦学性能。在1000 ℃ 的高温摩擦条件下，复相陶瓷的摩擦系数降低近40%，磨损率降低近60%。更重要的是，在1000 ~ 1200 ℃ 的极端高温摩擦工况下，该材料始终保持摩擦系数小于0.30，磨损率数量级稳定在10^-5 mm³/(N·m)数量级。该研究为克服高熵硼化物陶瓷断裂韧性低及高温摩擦学性能不明晰等难题提供了新思路，展现出作为极端服役环境下高端机械装备运动部件的巨大应用潜力。

2. 研究背景

高熵硼化物（HEB）陶瓷凭借其独特的多组元设计理念，展现出高强度（> 20 GPa）、超高熔点（> 3000 °C）、优异抗氧化性及可调控的摩擦学性能，成为新一代超高温陶瓷结构材料的候选材料体系。

然而，HEB陶瓷的断裂韧性普遍较低，一般维持在2 ~ 4 MPa·m^1/2之间，其实际应用受到了严重限制。此外，目前针对HEB陶瓷摩擦学性能的研究温度普遍低于1000℃，其高温摩擦学性能研究较少且性能有待提升。因此亟需通过强韧化与高温自润滑设计实现其性能提升。六方氮化硼（h-BN）凭借其独特的二维层状结构和高长径比特性，在断裂行为中展现出独特的韧性增强机制。其层间弱范德华相互作用赋予优异的剪切滑移能力，在氧化/潮湿环境与真空条件下均表现出优良的摩擦学特性。因此，本研究通过h-BN微观增韧机理与宏观润滑功能，为HEB陶瓷断裂韧性与高温摩擦学性能的有效提升提供新思路，为探索HEB陶瓷高温摩擦环境下的应用提供理论支持。

3. 文章亮点

（1）以高熵 (Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2Nb_0.2Ta_0.2)B₂（HEB）陶瓷为基体，引入六方氮化硼（h-BN）作为增韧相和润滑相，成功制备了HEB-hBN复相陶瓷。

（2）揭示了h-BN通过高长径比与片层结构，引发裂纹偏转与桥联机制等多尺度协同增韧机理，有效优化了应力扩展路径，显著提升材料断裂韧性。

（3）阐明了h-BN的层间滑移效应与高温氧化生成的B₂O₃及金属氧化物于金属氧化物协同形成梯度润滑膜，是提升HEB陶瓷高温摩擦学性能的核心润滑机理。

（4）实现了h-BN在复相陶瓷中的多功能集成：既作为增韧相通过裂纹调控机制提升断裂韧性，又作为固体润滑剂实现自润滑功能。

4. 研究结果及结论

（1）HEB-hBN复相陶瓷的制备

图1 HEB-hBN复相陶瓷的XRD图谱和SEM图像

图2 HEB-hBN复相陶瓷的TEM分析，（a）（c）FFT图像,（b）（d）HRTEM图像，（e）BF图像，（f）HADDF图像及相应的EDS元素分布图

图1和图2表明，HEB与h-BN在复相陶瓷中均以单相形式稳定共存，二者表现出良好的化学相容性。通过机械混合HEB与h-BN粉体结合烧结工艺，可以成功制备出结构均匀致密的HEB-hBN复相陶瓷，该工艺有效实现了h-BN第二相的定量调控与均匀分散。HEB-hBN复相陶瓷中HEB与h-BN两相均保持各自完整的六方晶体结构，h-BN的引入未对HEB基体的晶体结构产生影响，两相在纳米尺度上形成了稳定的复合结构。研究证实，成功制备出h-BN分布均匀，两相稳定符合设计构想的HEB-hBN复相陶瓷。

（2）HEB-hBN复相陶瓷的强韧化

图3 不同h-BN含量时HEB-hBN复相陶瓷的硬度和断裂韧性变化图

图4 不同h-BN含量时HEB-hBN复相陶瓷的断面和裂纹扩展路线图及10 vol% 时裂纹扩展路线图对应的EDS图像，（a）（a₁）0 vol%，（b）（b₁）5 vol%，（c）（c₁）10 vol%，（d）（d₁）15 vol%，（e）（e₁）20 vol%

图5 HEB-hBN复相陶瓷的增韧机理示意图

图3、图4和图5表明，当h-BN含量为10 vol% 时，复相陶瓷断裂韧性最高，其值为4.50 ± 0.20 MPa·m^1/2，相较于添加h-BN前提升近70%，展现出显著的增韧效果。断裂机制为大量穿晶断裂和少量沿晶断裂并存。通过h-BN引发的裂纹偏转、裂纹桥联和层状结构消耗裂纹应力等增韧机理增韧。

（3）HEB-hBN复相陶瓷的高温自润滑

图6 不同h-BN含量时HEB-hBN复相陶瓷1000 ℃ 的摩擦学性能图，

（a）摩擦系数波动，（b）平均摩擦系数和磨损率

图7 h-BN含量5 vol% 时HEB-hBN复相陶瓷不同摩擦温度下的摩擦学性能图，

（a）摩擦系数波动，（b）平均摩擦系数和磨损率

图8 h-BN含量5 vol% 时HEB-hBN复相陶瓷不同摩擦温度下磨痕表面的三维形貌和二维轮廓曲线图，（a）（a₁）1000 ℃，（b）（b₁）1100 ℃，（c）（c₁）1200 ℃

图9 h-BN含量5 vol% 时HEB-hBN复相陶瓷不同摩擦温度下润滑膜与氧化层厚度的SEM和EDS图谱，（a）1000 ℃，（c）1100 ℃，（e）1200 ℃

图10 HEB-hBN复相陶瓷的润滑机理示意图

图11 h-BN含量5 vol% 时HEB-hBN复相陶瓷不同摩擦温度下磨痕表面的XPS精细谱与高温摩擦学性能的关联图

图6到图11说明，1000℃ 高温摩擦学性能在h-BN含量5 vol% 时达到最优值，平均摩擦系数为0.149 ± 0.017，相较于添加h-BN前降幅约40%，磨损率低至（1.551 ± 0.177）× 10^-5 mm³/(N·m)，相较于添加h-BN前降幅约60%。在1000 ~ 1200℃ 高温区间，平均摩擦系数均小于0.300，磨损率数量级稳定于10^-5 mm³/(N·m)，显示出优异的高温耐磨性能。磨损机制主要为磨粒磨损和氧化磨损。通过h-BN、B₂O₃和金属氧化物等润滑相的协同润滑机理实现高温自润滑。

5. 作者及研究团队简介

郭启龙（共同通讯作者），材料学博士，校聘教授，硕士生导师。陇原青年英才，甘肃省青年教师成才奖，甘肃省高等院校优秀教师党支部书记“双带头人”，西北民族大学教学名师。主从事超高温陶瓷基复合材料结构设计与控制、强韧化及其高温润滑机理的研究工作。主持国家自然科学基金项目、甘肃省自然科学基金项目、陇原青年创新创业人才项目等10余项；主持甘肃省高等教育教学成果培育项目1项。在Journal of Advanced Ceramics、Scripta Materialia、Materials and Design、Materials Science & Engineering A、Ceramics International等国际主流期刊以第一作者/通讯作者发表SCI/EI论文20余篇。荣获甘肃省科学技术进步一等奖1项、三等奖1项，中国硅酸盐学会建材科技进步二等奖1项等。兼任甘肃省材料学会理事。指导学生参加全国大学生学科竞赛，获得国家级一等奖1项、二等奖5项和三等奖5项，并多次荣获优秀指导教师奖。

樊恒中（共同通讯作者），材料学博士，研究员，博士生导师。甘肃省领军人才，中国科学院“西部之光”人才培养计划入选者、甘肃省“杰出青年基金”获得者、甘肃省委组织部“陇原创新创业青年人才团队”负责人。致力于解决国家高端装备极端环境润滑防护及性能评价科学技术难题，通过材料跨尺度构筑多、功能协同强化设计开发了系列适用于极端环境用陶瓷润滑与防护材料。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目和区域联合重点项目课题等原创性基础研究项目，以及承担科技创新2030“两机”重大专项课题、国防重点项目、国家重点研发计划子课题、中国科学院“B类先导专项”任务等重点攻关项目累计20余项。在本领域国际主流期刊发表SCI论文70余篇，其中以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、Chem. Eng. J.、J. Adv. Ceram.、Tribol. Int.等中国科学院一区Top期刊发表SCI论文30余篇，撰写英文专著章节3章。申请发明专利30余件，授权15件。获甘肃省自然科学一等奖（2024）、甘肃省专利一等奖（2024）、甘肃省材料学会科学技术一等奖（2020）、《先进陶瓷（英文）》2023年度“青瓷奖”。 兼任《Journal of Advanced Ceramics》《现代技术陶瓷》期刊青年编委，甘肃省材料学会副秘书长兼青年工作委员会主任、中国硅酸盐学会测试技术分会理事、中国机械工程学会表面工程分会青年工作委员会委员。

应豪（第一作者），西北民族大学与中国科学院兰州化学物理研究所联合培养研究生。主要从事高熵硼化物陶瓷强韧化与高温自润滑的设计与制备。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1） Li J, Zhou Y, Su Y, et al. Synthesis and mechanical and elevated temperature tribological properties of a novel high-entropy (TiVNbMoW)C_4.375 with carbon stoichiometry deviation. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(2): 242-257. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220679

2） CHEN S-n, FAN H, SU Y, et al. Bioinspired PcBN/hBN fibrous monolithic ceramic: High-temperature crack resistance responses and self-lubricating performances. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(9): 1391-1403. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-022-0618-y

3） Chen H, Zhao E, Wen X, et al. Phase engineering on high-entropy transition metal dichalcogenides and the entropy-enhanced thermoelectric performance. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(12): 1985-1995. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220991

4） Song K, Yang S, Shao N, et al. Highly strengthening and toughening biomimetic ceramic structures fabricated via a novel coaxially printing. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(4): 403-412. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220858

5） CHEN S, FAN H, SU Y, et al. Influence of binder systems on sintering characteristics, microstructures, and mechanical properties of PcBN composites fabricated by SPS. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(2): 321-330. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-021-0536-4

6）Li J, Su Y, Chen S, et al. High-entropy diboride: A Novel high-temperature self-lubricating ceramic with enhanced mechanical and tribological properties. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221085

《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，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。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，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508