清华大学在高熵陶瓷方面取得进展

中国粉体网讯 “高熵”是近年来出现的新的材料设计理论，目前已成为材料研究领域的一大热点，其概念最初由高熵合金发展而来。2004 年中国台湾学者叶均蔚教授最先提出了高熵合金的概念，同年牛津大学的 Cantor 等也提出了多主元合金的概念，两者的工作均是将多种合金元素以( 近) 等原子比固溶到一起，形成单相的固溶体。随后，越来越多新的高熵合金被制备出来。与传统合金相比，高熵合金不仅具有良好的结构稳定性以及优异的力学性能( 尤其是低温韧性) ，部分还表现出卓越的电性能以及催化性能，有望应用于能源、环境领域。

高熵的概念在合金上被熟练运用后，人们将关注的目光投向了无机非金属材料领域。2015 年，当时美国北卡罗莱纳州立大学的 Ｒost、Maria 和杜克大学的Curtarolo 等首先合作报道了一种岩盐结构的熵稳定氧化物陶瓷，即高熵陶瓷。随后，越来越多的高熵陶瓷，包括萤石结构、钙钛矿结构、尖晶石结构的高熵氧化物陶瓷以及硼化物、碳化物、氮化物、硅化物等非氧化物高熵陶瓷，如雨后春笋般涌现出来，逐渐成为研究热点。

作为高熵材料，高熵陶瓷具备了四大效应，即热力学的高熵效应、 结构的晶格畸变效应、 动力学的迟滞扩散效应、 性能上的“鸡尾酒”效应其中，在结构上的晶格畸变效应方面，高熵材料中的组成元素原子都是随机分布在晶格上，所以相比普通材料中的晶格畸变，高熵材料的各种畸变、滑移、位错会更多，众所周知，滑移位错能力是影响陶瓷韧性的一大关键因素，成分复杂的高熵陶瓷为此赋予了更多的可能性。

近日，清华大学万春磊教授团队在国际著名期刊Nature Communications上发表了题“Ultra-dense dislocations stabilized in high entropy oxide ceramics”的研究成果。

团队报告了隐藏在高熵氧化物陶瓷中的通用微观结构特征。发现超高密度位错（~10⁹  mm^-2) 存在在高熵氧化物陶瓷中。这些位错在热力学上是稳定的，因为构型熵增益可以补偿由氧化物陶瓷中刚性离子/共价键引起的大应变。我们进一步证明了随着成分复杂性的增加，熵增益甚至可以进一步调整位错的密度，提高陶瓷韧性。应该提到的是，位错总是出现在简单和高熵金属间化合物中，例如硼化物和碳化物，但这些材料包含金属键以适应位错的应变，显示出与氧化物陶瓷不同的情况.同时，我们表明超致密位错通过与裂纹的相互作用显示出额外的增韧效应。高熵氧化物陶瓷中位错的应变场可以通过使用多价阳离子来扩大，这可以提高偏转和裂纹桥接的机会，从而大大提高机械韧性。这项工作提供了一种在氧化物陶瓷中建立超高密度位错的可控方法，并具有潜在的技术应用，例如热障涂层、固体氧化物燃料电池、光伏、铁电体、电介质和热电体。

各种结构的高熵氧化物中超致密位错的高分辨率观察

参考来源：

[1]顾俊峰等.高熵陶瓷材料研究进展

[2]材料学网、Nature Communications

（中国粉体网编辑整理/山川）

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