華南理工大學材料科學與工程學院褚衍輝團隊通過多尺度結構設計，成功製備了兼具超強力學強度和高隔熱的高熵多孔硼化物陶瓷材料。同時，該材料還展現(xiàn)出了2000攝氏度高溫穩(wěn)定性。該高熵多孔陶瓷材料在航空航天、能源化工領域具有廣闊的應用前景。
據(jù)悉，相關研究結果以「Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High-Entropy Ceramics up to 2000℃」為題，發(fā)表在材料領域的國際頂尖期刊Advanced materials（《先進材料》）上。華南理工大學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。華南理工大學為唯一通訊單位。
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兼具優(yōu)異力學強度及隔熱屬性的多孔陶瓷材料
隨著新一代高超聲速飛行器飛行速度的不斷提升，對隔熱材料的力學強度、熱導率和耐溫性提出了更嚴苛的要求，兼具優(yōu)異力學強度及隔熱屬性的多孔陶瓷材料一直是科學家的追求目標。然而，這兩種屬性在一定程度上相互制約，對於傳統(tǒng)的多孔陶瓷來說往往難以兼得。
如果通過簡單降低多孔陶瓷的相對密度，可顯著提高材料的隔熱性能，但這往往會導致材料力學強度的大幅下降。同時，傳統(tǒng)多孔陶瓷材料耐溫普遍小於1500攝氏度，高溫服役過程中常面臨著體積收縮、力學性能衰減等問題，無法滿足日益嚴苛的服役需求。
據(jù)華南理工大學材料科學與工程學院褚衍輝團隊介紹，此次成功製備的高熵多孔硼化物陶瓷材料的優(yōu)異性能源於「三大法寶」，即微觀尺度上構築的超細孔、納米尺度上強晶間界面結合，以及原子尺度上嚴重晶格畸變。
製備出的材料樣品
首先，在微米尺度上，團隊通過超高溫快速合成技術在數(shù)十秒內(nèi)完成燒結，抑制晶粒生長，進而在材料內(nèi)構築均勻分布的亞微米級超細孔隙。其次，在納米尺度上，通過進一步固溶反應，建立晶粒之間強界面結合。第三，在原子尺度上，通過引入9元陽離子嚴重晶格畸變，提高晶格內(nèi)部的應力場和質(zhì)量場波動，提高硼化物的本徵力學強度。
團隊通過X 射線衍射和精修計算、高精度CT成像、高分辨透射電子顯微鏡、電鏡能譜、透射電鏡能譜等方式，證實了所製備的材料在結構、元素均勻性上均有著優(yōu)異表現(xiàn)。
在對製備出的材料進行力學性能測試時，團隊發(fā)現(xiàn)在50%氣孔率下，其壓縮強度為337 兆帕，顯著高於已報道的多孔陶瓷材料。在1500攝氏度高溫原位壓縮測試中，其力學強度保持率大於95%，達到332 兆帕。特別是，材料在1800和2000攝氏度的高溫下由脆性斷裂行為轉變?yōu)閴嚎s塑性變形行為，壓縮過程中伴隨著材料的緻密化，最終在約49%應變下強度達到了690 兆帕。相較於目前已報道的其他多孔陶瓷，該材料展現(xiàn)出了出色的高溫壓縮強度。
團隊還發(fā)現(xiàn)，所製備出的材料同時展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫隔熱性能和熱穩(wěn)定性。材料在50%氣孔率下，熱導率可低至0.76瓦/米?度?1。在進行1000、1500、2000攝氏度高溫熱處理後，材料的體積尺寸幾乎未發(fā)生任何變化（2000攝氏度時收縮率僅為2.4%），力學強度無衰減，具有出色的高溫熱穩(wěn)定性。
華南理工大學材料科學與工程學科是國家「雙一流」建設學科，擁有一支由5位院士領銜的教師團隊，建有包括國家重點實驗室、國家工程技術研究中心在內(nèi)的7個國家級教學科研機構和27個省部級科研機構，支撐高水平科研及成果轉化工作的開展。近年來在有機發(fā)光材料與器件、有機光伏材料與器件、稀土摻雜氧化物TFT技術、前沿彈性體、海洋防污材料、水泥材料、金屬儲氫材料、生物醫(yī)藥材料、聚集誘導發(fā)光、半導體材料、高熵陶瓷材料的研究與應用上取得了大量原創(chuàng)成果。（記者 黃裕勇、通訊員 華軒）
頂圖：褚衍輝（右1）與團隊在實驗室
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