中国粉体网讯 据华南理工大学消息，近日，该校材料科学与工程学院褚衍辉研究员课题组在高温的抗氧化高熵陶瓷材料领域取得重大突破！
课题组通过高熵多组元成分设计，同时结合搭建的激光氧化测试平台，成功开发可耐3600℃高温的抗氧化高熵碳化物(Hf，Ta，Zr，W)C材料。该新型超高温陶瓷材料在航空航天、新能源等需耐受极端高温的领域具有广阔的应用前景，突破了相关领域的研究瓶颈。
相关研究成果以“Exceptional Oxidation Resistance of High-Entropy Carbides up to 3600℃”为题，发表于Advanced Materials上。论文通讯作者为华南理工大学庄磊副教授、褚衍辉研究员；第一作者为华南理工大学博士研究生文子豪、刘译文。该研究受到了审稿人的高度评价，一致认为是超高温材料领域的重大突破。
飞行器面临日益严峻的“烤验”
当前，超高声速飞行器、往返式轨道飞行器等先进装备不断发展，随着其向着高速、高推力、高空的方向发展，其对表面材料在极端条件下的耐高温性和抗氧化性要求也越来越高。
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飞行器进入大气层时面临着热流密度高、驻点压力大和气流冲刷速度快等极端环境，同时面临着与氧气、水蒸气和二氧化碳反应而产生的化学烧蚀。在飞行器飞出和飞入大气层时，其头锥和机翼周围的空气会受到剧烈压缩而与飞行器表面产生较大的摩擦，导致其表面受气流流动加热。飞行器表面除了在飞行过程中受气动加热外，还会在飞行过程中受到太阳辐射、环境辐射等的影响，使飞行器的表面温度不断升高，这一变化会严重影响飞行器的服役状况。
这迫切需要研发具有卓越耐高温性能的先进材料。
目前有望在1800℃以上温度使用的材料一般有高温合金材料、超高温陶瓷、Cf/SiC复合材料、C/C复合材料等。现有的高温合金材料密度大、成本高，抗氧化性能差；Cf/SiC复合材料基体活性氧化长时间使用不能超过1650℃；C/C复合材料虽然具有轻质的特点，但无保护层时超过500℃即开始急剧氧化。
相比其它材料，超高温陶瓷材料（UHTCs）以其优异的综合性能有望成为新一代高温热防护材料，是目前高温热防护材料的研究前沿。
课题组设计开发出3600°C抗氧化高熵碳化物陶瓷
尽管超高温陶瓷具有良好的高温热稳定性、抗氧化性和抗酸碱腐蚀性，可以在苛刻环境下服役，但是，大部分超高温陶瓷材料，如过渡金属硼化物和过渡金属碳化物等超高温陶瓷具有良好的导电性，它们的吸波性能并不理想。且其抗氧化温度始终未能突破3000℃，严重制约了新一代先进空天飞行器热防护系统的开发。
褚衍辉研究员
褚衍辉研究员在接受中国粉体网专访时谈到，“与传统的超高温陶瓷相比，高熵超高温陶瓷具有高的硬度和强度，低的热导率，宽的电磁吸波性，优异的抗氧化、抗烧蚀、抗辐照性以及可调的热膨胀系数和导电性等。”因此，高熵陶瓷的兴起为超高温耐氧化材料的设计提供了新思路。
褚衍辉研究员课题组首先自主搭建了超高温激光氧化测试平台。随后，以Hf、Ta、Zr元素为基础，设计了不同组分的高熵碳化物陶瓷，并测试了在2400-3000℃下的抗氧化性能。结果表明(Hf，Ta，Zr，W)C材料在全温域下具有最低的氧化深度，其氧化动力学在2400-3000℃温度段内均遵循抛物线规律，证明其具有优异的宽温域抗氧化性能。
(Hf， Ta， Zr， W)C高熵碳化物氧化产物结构表征和3600℃抗氧化性能
该材料的超高温抗氧化性能主要得益于生成的具有超高熔点的钨合金。相比其他元素，钨元素的表面氧原子吸附能最高，导致氧化难度最大，而除钨以外的其余元素则会优先氧化，并包裹于钨合金表面，进一步阻碍钨合金的氧化。在此原理基础上，钨合金弥散分布于氧化物层，可作为高熔点骨架，提高氧化物黏度，进而有效降低氧化物的高温挥发，阻碍氧气向内部基体渗透。
课题组使用激光考核平台进一步测试了该材料在更高温度下的氧化性能，验证了其可在最高3600℃下展现出色的抗氧化性能，显著优于已报道的其他超高温材料。
据褚衍辉研究员介绍，其所在团队在国际上较早地开展了高熵超高温陶瓷材料研究，开发出系列高熵超高温陶瓷材料，建立了精准的相形成能力判据，构建了可迁移的机器学习势函数，有力推动了分子动力学模拟方法在该领域的广泛应用，实现了对材料力-热性能的精准预测；发明了多种合成高熵超高温陶瓷粉体的方法，制备出系列高品质粉体，实现了公斤级批量化生产，产品已供应给多所院校；揭示了高熵超高温陶瓷晶格畸变与力-热-电-磁性能之间的关联机理，开发出兼具高强高韧特性的仿生高熵碳化物全陶瓷材料以及耐2000°C超高强高隔热多孔高熵硼化物陶瓷材料，研制出宽频吸波高熵超高温陶瓷材料。
此次，该团队成功开发可耐3600℃高温的抗氧化高熵碳化物意味着我国在超高温材料领域实现了一次重大飞跃。
信息来源：华南理工大学、中国粉体网
（中国粉体网/山川）
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