華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院褚衍輝團(tuán)隊(duì)通過(guò)多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功製備了兼具超強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度和高隔熱的高熵多孔硼化物陶瓷材料。同時(shí)，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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
據(jù)悉，相關(guān)研究結(jié)果以「Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High-Entropy Ceramics up to 2000℃」為題，發(fā)表在材料領(lǐng)域的國(guó)際頂尖期刊Advanced materials（《先進(jìn)材料》）上。華南理工大學(xué)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(xué)為唯一通訊單位。
論文網(wǎng)站截圖
兼具優(yōu)異力學(xué)強(qiáng)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(duì)隔熱材料的力學(xué)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和耐溫性提出了更嚴(yán)苛的要求，兼具優(yōu)異力學(xué)強(qiáng)度及隔熱屬性的多孔陶瓷材料一直是科學(xué)家的追求目標(biāo)。然而，這兩種屬性在一定程度上相互制約，對(duì)於傳統(tǒng)的多孔陶瓷來(lái)說(shuō)往往難以兼得。
如果通過(guò)簡(jiǎn)單降低多孔陶瓷的相對(duì)密度，可顯著提高材料的隔熱性能，但這往往會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)強(qiáng)度的大幅下降。同時(shí)，傳統(tǒng)多孔陶瓷材料耐溫普遍小於1500攝氏度，高溫服役過(guò)程中常面臨著體積收縮、力學(xué)性能衰減等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足日益嚴(yán)苛的服役需求。
據(jù)華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院褚衍輝團(tuán)隊(duì)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(gòu)築的超細(xì)孔、納米尺度上強(qiáng)晶間界面結(jié)合，以及原子尺度上嚴(yán)重晶格畸變。
製備出的材料樣品
首先，在微米尺度上，團(tuán)隊(duì)通過(guò)超高溫快速合成技術(shù)在數(shù)十秒內(nèi)完成燒結(jié)，抑制晶粒生長(zhǎng)，進(jìn)而在材料內(nèi)構(gòu)築均勻分布的亞微米級(jí)超細(xì)孔隙。其次，在納米尺度上，通過(guò)進(jìn)一步固溶反應(yīng)，建立晶粒之間強(qiáng)界面結(jié)合。第三，在原子尺度上，通過(guò)引入9元陽(yáng)離子嚴(yán)重晶格畸變，提高晶格內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)和質(zhì)量場(chǎng)波動(dòng)，提高硼化物的本徵力學(xué)強(qiáng)度。
團(tuán)隊(duì)通過(guò)X 射線(xiàn)衍射和精修計(jì)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(shí)了所製備的材料在結(jié)構(gòu)、元素均勻性上均有著優(yōu)異表現(xiàn)。
在對(duì)製備出的材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在50%氣孔率下，其壓縮強(qiáng)度為337 兆帕，顯著高於已報(bào)道的多孔陶瓷材料。在1500攝氏度高溫原位壓縮測(cè)試中，其力學(xué)強(qiáng)度保持率大於95%，達(dá)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(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s塑性變形行為，壓縮過(guò)程中伴隨著材料的緻密化，最終在約49%應(yīng)變下強(qiáng)度達(dá)到了690 兆帕。相較於目前已報(bào)道的其他多孔陶瓷，該材料展現(xiàn)出了出色的高溫壓縮強(qiáng)度。
團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，所製備出的材料同時(shí)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(dǎo)率可低至0.76瓦/米?度?1。在進(jìn)行1000、1500、2000攝氏度高溫?zé)崽幚磲幔牧系捏w積尺寸幾乎未發(fā)生任何變化（2000攝氏度時(shí)收縮率僅為2.4%），力學(xué)強(qiáng)度無(wú)衰減，具有出色的高溫?zé)岱€(wěn)定性。
華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)科是國(guó)家「雙一流」建設(shè)學(xué)科，擁有一支由5位院士領(lǐng)銜的教師團(tuán)隊(duì)，建有包括國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家工程技術(shù)研究中心在內(nèi)的7個(gè)國(guó)家級(jí)教學(xué)科研機(jī)構(gòu)和27個(gè)省部級(jí)科研機(jī)構(gòu)，支撐高水平科研及成果轉(zhuǎn)化工作的開(kāi)展。近年來(lái)在有機(jī)發(fā)光材料與器件、有機(jī)光伏材料與器件、稀土摻雜氧化物TFT技術(shù)、前沿彈性體、海洋防污材料、水泥材料、金屬儲(chǔ)氫材料、生物醫(yī)藥材料、聚集誘導(dǎo)發(fā)光、半導(dǎo)體材料、高熵陶瓷材料的研究與應(yīng)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(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室
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