科學(xué)島團隊在高熵硼化物陶瓷研究方面取得新進展

近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部熱控功能材料科研團隊在高熵硼化物陶瓷的制備和性能研究方面取得新進展，成功合成了在可見 -近紅外波段具有 95%熱發(fā)射率的硼化物高熵陶瓷，相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊 Journal of the European Ceramic Society 上。
硼化物超高溫陶瓷由于其獨特的高溫熱/力學(xué)性能，成為極端有氧熱環(huán)境下服役的理想候選材料。然而，硼化物陶瓷在2500 ℃以上的強氧化流動環(huán)境中會發(fā)生氧化燒蝕，導(dǎo)致構(gòu)件失效。解決這一難題的一種有效途徑是采用具有較高熱發(fā)射率的材料，通過熱輻射的方式在空間飛行中有效散熱，降低構(gòu)件的溫度梯度和熱應(yīng)力使其能夠承受更高的熱通量，從而提高抗氧化燒蝕性能。此外，由于硼化物陶瓷固有的低損傷容限，在響應(yīng)熱沖擊時易于斷裂導(dǎo)致失效。高熵硼化物由于其高熵效應(yīng)而具有優(yōu)異的力學(xué)性能和獨特的性能組合，可望解決這些難題。然而，高純超細高熵硼化物粉體的設(shè)計制備、單相固溶機理及熱發(fā)射率的增強機制仍不明晰；同時，其陶瓷塊體的致密化和力學(xué)性能的提升也是亟需解決的問題。

為此，固體所研究人員基于晶格尺寸差（＜5.2%）、鮑林電負性差（＜5.5%）、吉布斯自由能等高熵設(shè)計要素，結(jié)合理論計算優(yōu)選了Ti、Zr、Nb、Mo、Hf五種金屬元素作為高熵固溶體的組成元素，采用研究團隊前期提出的絮凝沉淀輔助硼/碳熱還原法 (J. Mater. Sci. Technol., 164, 229(2023))制備了平均粒徑為495 nm的(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2)B2陶瓷粉體（簡稱TZNMH），其碳氧含量分別為0.59 wt%和0.21 wt%。XRD測試表明，單相高熵硼化物的固溶過程可分為兩個階段：1100-1200 ℃時，金屬氧化物首先轉(zhuǎn)化為(Zr,Hf)B2和(Ti,Nb,Mo)B2中間二硼化物；高于1400 ℃時，(Zr,Hf)B2的陽離子取代占據(jù)(Ti,Nb,Mo)B2主晶格陽離子元素位點，并在1700℃時，完全形成高熵固溶體。在室溫條件下，該TZNMH高熵粉末在0.3-2.5 μm波長范圍內(nèi)具有近黑體輻射性能，熱發(fā)射率≥95%，優(yōu)于單組元二硼化物。第一性原理計算表明，高熵誘導(dǎo)的帶內(nèi)電子躍遷及高熵化引起電導(dǎo)率的降低是提高TZNMH在紫外-可見-近紅外區(qū)域發(fā)射率的主要原因。

研究人員進一步采用放電等離子燒結(jié)合成了致密度為99.7%的高熵硼化物陶瓷。在0.98 N的載荷下，高熵陶瓷塊體的維氏硬度達到了31.6 GPa。態(tài)密度計算表明，優(yōu)異的力學(xué)性能是金屬原子與硼原子之間強雜化的結(jié)果。同時，固溶強化機制和織構(gòu)組織對硬度增強也具有積極的影響。在經(jīng)過1800 ℃熱處理60 h后，高熵陶瓷保持單相六方結(jié)構(gòu)，元素分布均勻，在0.98 N的載荷下，其硬度仍然超過30 GPa。該工作闡明了高熵硼化物陶瓷的設(shè)計原理和固溶機制，為高性能熱防護材料提供了備選方案。

圖 1. TZNMH 高熵硼化物的制備流程與微觀結(jié)構(gòu)： (a) 制備工藝示意圖； (b) TZNMH 高熵硼化物固溶機理示意圖； (c) SEM 掃描圖及元素成像。

圖 2. TZNMH 高熵硼化物及五種單組元二硼化物在 0.3-2.5 μm 波段的輻射特性： (a) 半球發(fā)射率光譜和理論黑體的輻射率； (b) 平均光譜發(fā)射率。

圖 3. 高熵硼化物陶瓷在不同載荷條件下的維氏硬度及 Weibull 分布： (a) 、 (b) 頂面； (c) 、 (d) 側(cè)面。