中國粉體網訊 據華南理工大學消息，近日，該校材料科學與工程學院褚衍輝研究員課題組在高溫的抗氧化高熵陶瓷材料領域取得重大突破！
課題組通過高熵多組元成分設計，同時結合搭建的激光氧化測試平臺，成功開發可耐3600℃高溫的抗氧化高熵碳化物(Hf，Ta，Zr，W)C材料。該新型超高溫陶瓷材料在航空航天、新能源等需耐受極端高溫的領域具有廣闊的應用前景，突破了相關領域的研究瓶頸。
相關研究成果以“Exceptional Oxidation Resistance of High-Entropy Carbides up to 3600℃”為題，發表于Advanced Materials上。論文通訊作者為華南理工大學莊磊副教授、褚衍輝研究員；第一作者為華南理工大學博士研究生文子豪、劉譯文。該研究受到了審稿人的高度評價，一致認為是超高溫材料領域的重大突破。
飛行器面臨日益嚴峻的“烤驗”
當前，超高聲速飛行器、往返式軌道飛行器等先進裝備不斷發展，隨著其向著高速、高推力、高空的方向發展，其對表面材料在極端條件下的耐高溫性和抗氧化性要求也越來越高。
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飛行器進入大氣層時面臨著熱流密度高、駐點壓力大和氣流沖刷速度快等極端環境，同時面臨著與氧氣、水蒸氣和二氧化碳反應而產生的化學燒蝕。在飛行器飛出和飛入大氣層時，其頭錐和機翼周圍的空氣會受到劇烈壓縮而與飛行器表面產生較大的摩擦，導致其表面受氣流流動加熱。飛行器表面除了在飛行過程中受氣動加熱外，還會在飛行過程中受到太陽輻射、環境輻射等的影響，使飛行器的表面溫度不斷升高，這一變化會嚴重影響飛行器的服役狀況。
這迫切需要研發具有卓越耐高溫性能的先進材料。
目前有望在1800℃以上溫度使用的材料一般有高溫合金材料、超高溫陶瓷、Cf/SiC復合材料、C/C復合材料等。現有的高溫合金材料密度大、成本高，抗氧化性能差；Cf/SiC復合材料基體活性氧化長時間使用不能超過1650℃；C/C復合材料雖然具有輕質的特點，但無保護層時超過500℃即開始急劇氧化。
相比其它材料，超高溫陶瓷材料（UHTCs）以其優異的綜合性能有望成為新一代高溫熱防護材料，是目前高溫熱防護材料的研究前沿。
課題組設計開發出3600°C抗氧化高熵碳化物陶瓷
盡管超高溫陶瓷具有良好的高溫熱穩定性、抗氧化性和抗酸堿腐蝕性，可以在苛刻環境下服役，但是，大部分超高溫陶瓷材料，如過渡金屬硼化物和過渡金屬碳化物等超高溫陶瓷具有良好的導電性，它們的吸波性能并不理想。且其抗氧化溫度始終未能突破3000℃，嚴重制約了新一代先進空天飛行器熱防護系統的開發。
褚衍輝研究員
褚衍輝研究員在接受中國粉體網專訪時談到，“與傳統的超高溫陶瓷相比，高熵超高溫陶瓷具有高的硬度和強度，低的熱導率，寬的電磁吸波性，優異的抗氧化、抗燒蝕、抗輻照性以及可調的熱膨脹系數和導電性等。”因此，高熵陶瓷的興起為超高溫耐氧化材料的設計提供了新思路。
褚衍輝研究員課題組首先自主搭建了超高溫激光氧化測試平臺。隨后，以Hf、Ta、Zr元素為基礎，設計了不同組分的高熵碳化物陶瓷，并測試了在2400-3000℃下的抗氧化性能。結果表明(Hf，Ta，Zr，W)C材料在全溫域下具有最低的氧化深度，其氧化動力學在2400-3000℃溫度段內均遵循拋物線規律，證明其具有優異的寬溫域抗氧化性能。
(Hf， Ta， Zr， W)C高熵碳化物氧化產物結構表征和3600℃抗氧化性能
該材料的超高溫抗氧化性能主要得益于生成的具有超高熔點的鎢合金。相比其他元素，鎢元素的表面氧原子吸附能最高，導致氧化難度最大，而除鎢以外的其余元素則會優先氧化，并包裹于鎢合金表面，進一步阻礙鎢合金的氧化。在此原理基礎上，鎢合金彌散分布于氧化物層，可作為高熔點骨架，提高氧化物黏度，進而有效降低氧化物的高溫揮發，阻礙氧氣向內部基體滲透。
課題組使用激光考核平臺進一步測試了該材料在更高溫度下的氧化性能，驗證了其可在最高3600℃下展現出色的抗氧化性能，顯著優于已報道的其他超高溫材料。
據褚衍輝研究員介紹，其所在團隊在國際上較早地開展了高熵超高溫陶瓷材料研究，開發出系列高熵超高溫陶瓷材料，建立了精準的相形成能力判據，構建了可遷移的機器學習勢函數，有力推動了分子動力學模擬方法在該領域的廣泛應用，實現了對材料力-熱性能的精準預測；發明了多種合成高熵超高溫陶瓷粉體的方法，制備出系列高品質粉體，實現了公斤級批量化生產，產品已供應給多所院校；揭示了高熵超高溫陶瓷晶格畸變與力-熱-電-磁性能之間的關聯機理，開發出兼具高強高韌特性的仿生高熵碳化物全陶瓷材料以及耐2000°C超高強高隔熱多孔高熵硼化物陶瓷材料，研制出寬頻吸波高熵超高溫陶瓷材料。
此次，該團隊成功開發可耐3600℃高溫的抗氧化高熵碳化物意味著我國在超高溫材料領域實現了一次重大飛躍。
信息來源：華南理工大學、中國粉體網
（中國粉體網/山川）
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