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

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Shao Z, Zeng D, Xu M, et al. A novel highly porous dual-phase high-entropy ultrahigh-temperature ceramic with outstanding properties. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221132

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221132

ResearchGate: A novel highly porous dual-phase high-entropy ultrahigh-temperature ceramic with outstanding properties

1、导读

传统氧化物纤维隔热瓦的服役温度难以满足极端工况，轻质超高温隔热材料面临迫切需求。本研究借助成分+结构多尺度协同构筑策略，突破超高温陶瓷的轻质隔热极限与可控制备技术，通过成分上引入高熵效应和调控多孔微观结构显著降低超高温陶瓷的热导率和密度，还引入复相成分设计有效提高了其抗氧化性，从而制备出具有超高孔隙率（96.4%~90.1%）、轻质（0.31~0.87 g/cm³）、高强度（0.45~4.17 MPa）、低热导率（0.202~0.281 W/(m·K)）和抗氧化性好等优点的新型多孔复相高熵超高温陶瓷隔热材料(TiZrHfNbTa)C-(TiZrHfNbTa)B₂。研究成果为航天用超高温超级隔热材料的创新设计与实现提供了潜在解决方案和关键候选材料。

2、研究背景

随着高超声速飞行器的快速发展，严重的气动加热效应导致机身表面温度超过2000 °C，因此超高温隔热材料面临迫切需求。超高温陶瓷因为具有>3000 °C的超高熔点、高强度以及优异的化学稳定性等优点，被认为是新一代飞行器超高温防护的理想候选材料。但是超高温陶瓷存在密度大、本征热导率高等问题，不满足部件减重和超级隔热的要求，所以如何对超高温陶瓷进行设计使其成为优秀的轻质超高温隔热材料成为新的研究热点。解决策略是进行超高温陶瓷的成分结构协同优化设计——在成分设计上，借助高熵效应、通过提高多主元超高温陶瓷的晶格畸变度，增强声子散射显著降低其热导率；在结构设计上，通过引入超高孔隙率的多孔结构进一步降低其热导率和密度。此外还引入复相成分设计的思路，利用超高温硼化物提高碳化物的抗氧化性，并且通过碳化物降低硼化物的热导率，最终发展出轻质、高强、低热导和抗氧化性佳的新型复相高熵轻质超高温隔热材料，有望满足航天领域对于超高温超级隔热材料的重要需求。

3、文章亮点

w   复相的高熵化成分设计，首次制备出新型多孔复相高熵(TiZrHfNbTa)C-(TiZrHfNbTa)B₂超高温隔热材料。

w   通过发泡-注凝-冷冻干燥法，获得了各向同性、孔分布均匀的超高孔隙率多孔微观结构，孔隙率最高达到96.4%。

w   新型多孔复相高熵超高温陶瓷具有轻质（0.31~0.87 g/cm³）、高强（0.45~4.17 MPa）、低热导（0.202~0.281 W/(m·K)）和抗氧化性好的优点，是一种极具潜力的超高温隔热材料。

w    

4、研究结果及结论

（1）多孔样品在SiC和B₄C双烧结助剂的作用下经2000 °C原位烧结后形成了纯相的同时具有面心立方和六方晶体结构的复相高熵(TiZrHfNbTa)C-(TiZrHfNbTa)B₂超高温陶瓷。

图1 （a）碳化物和硼化物原料粉末的XRD图谱和（b）添加相同SiC以及不同B₄C添加量所制备多孔样品的XRD图谱

（2）采用发泡-注凝-冷冻干燥法，通过调控浆料固含量（7~20 vol.%）调控样品的孔隙率，并获得了孔隙分布均匀的超高孔隙率（96.4%~90.1%）多孔复相高熵样品。低孔隙率样品的骨架较厚，孔窗尺寸较小；高孔隙率样品的骨架更薄，孔窗数量更多、孔尺寸更大。背散射电子像中晶粒存在明显的衬度差，其中灰色晶粒是高熵硼化物(HEB)，而亮色晶粒为高熵碳化物(HEC)，二者随机分布在多孔骨架中且结合紧密。

图2 不同固含量下多孔复相高熵样品的SEM照片：（a）-（c）7 vol.%，

（d）-（f）10 vol.%，（g）-（i）15 vol.%，（j）-（l）20 vol.%

（3）TEM照片中展示了一个样品颗粒的微观形貌，恰巧类似“樱桃”状，上部“樱桃梗”位置颗粒的高分辨图像中的条纹间距为2.65 Å，对应于HCP中（1(—)100）晶面的晶面间距，表明是高熵硼化物；下部“樱桃果”位置颗粒的高分辨图像中条纹间距为2.26 Å，对应FCC中（200）晶面的晶面间距，表明是高熵碳化物。

图3 多孔复相高熵样品的TEM照片：（a）复相颗粒的低倍整体形貌，

（b）高熵硼化物的高分辨照片，（c）高熵碳化物的高分辨照片

此外，在微米尺度以及纳米尺度下，各自晶粒内部每种元素的分布都较为均匀。从TEM能谱上也再次确认了：上部“樱桃梗”位置颗粒对应的是高熵硼化物；下部“樱桃果”位置颗粒对应的是高熵碳化物。

图4 （a）复相高熵样品的SEM背散射电子像及对应的元素EDS图，

（b）复相高熵样品的TEM高角环形暗场像及对应的元素EDS图

（4）所制备的多孔复相高熵超高温陶瓷具有优异的综合性能：超高孔隙率（96.4%~90.1%）、轻质（0.31~0.87 g/cm³）、高强（0.45~4.17 MPa）、低热导（0.202~0.281 W/(m·K)）和抗氧化性好。研究结果表明：复相高熵多孔超高温陶瓷有望成为应用前景广阔的轻质超高温隔热材料。

图5 多孔复相高熵样品：（a）压缩强度与孔隙率的对应关系，（b）室温至300 °C不同孔隙率下的热导率，（c）与其他工作样品的性能对比

5、作者及研究团队简介

曾大玮（学生作者），中国科学院金属研究所（中国科学技术大学材料与工程学院）在读博士生。主要从事超高温隔热材料的研究工作。以第一和第二作者分别在J. Mater. Sci., J. Am. Ceram. Soc.等期刊发表两篇论文、申请发明专利一项。

吴贞，中国科学院金属研究所副研究员。研究方向为航天领域的多孔陶瓷隔热材料、航空领域的高温封严涂层和硅粘结层。主持和参与了国家重点研发计划子课题、中央支持地方发展专项基金、辽宁省面上基金、中国科学院先导项目和国家自然科学基金面上项目等课题。研究成果在Scripta Mater., JMST, J. Eur. Ceram. Soc., J. Am. Ceram. Soc., Chem. Commun.等期刊发表SCI论文近30篇，授权发明专利20余项。担任《Journal of Advanced Ceramics》青年编委、《现代技术陶瓷》期刊编委、中国复合材料学会高级会员等。

作者邮箱：zwu@imr.ac.cn

作者ORCID：https://orcid.org/0000-0001-5195-4697

王京阳，辽宁材料实验室副主任、燃氢防护技术研究所所长，中国科学院金属研究所研究员；从事极端环境用结构陶瓷、复合材料及高温防护涂层的基础研究和工程应用。入选国家级人才计划，当选世界陶瓷科学院院士、美国陶瓷学会会士、欧洲陶瓷学会会士和美国金属学会会士；获Acta Materialia银质奖章、美国陶瓷学会的John Jeppson奖/Samuel Geijsbeek国际奖/桥建奖/全球之星奖等学术奖励；担任或曾担任世界陶瓷科学院论坛主席、美国陶瓷学会的董事/提名委员会委员/工程陶瓷分会主席、欧洲陶瓷学会国际顾问委员、中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会副主任、中国稀土学会陶瓷专业委员会副主任和中国物理学会内耗和力学谱分会副主任等学术职务。

作者邮箱：jywang@imr.ac.cn

作者ORCID：https://orcid.org/0000-0002-4748-8512

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

（1）Li J, Sun L, Du T, et al. High temperature interaction of Y₄Al₂O₉/Y₂O₃ under CMAS exposure: Mechanism of outstanding corrosion resistance through composition design to accelerate reaction-induced CMAS consumption. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(7): 9221106. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221106

（2）Zhang G, Shi J, Zhang J, et al. Investigation on crystallization behavior between (Sc_xYb_1−x)O_1.5 and CMAS: A new insight in the effect of Sc substitution. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(6): 789-799. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220898

（3）LV X, YUE M, FENG X, et al. Rare earth monosilicates as oxidation resistant interphase for SiC_f/SiC CMC: Investigation of SiC_f/Yb₂SiO₅ model composites. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(5): 702-711. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-021-0560-4

《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。

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