Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High-Entropy Ceramics up to 2000 ℃
超强和高隔热多孔高熵陶瓷高达2000℃
论文亮点
- 在室温下，50%孔隙率时具有高达337 MPa的超高压缩强度，且在2000°C下强度可达690 MPa，表现出韧性压缩行为。
- 热导率低至0.76 W/mK，并具有优异的热稳定性，在2000°C退火后体积收缩仅约2.4%。
研究背景
- 多孔陶瓷材料在热绝缘应用中至关重要，但由于传统材料中机械强度和热绝缘性能往往相互排斥，难以同时实现高负载能力和低热导率。
- 极端条件（如深空和深地环境中的复杂机械载荷和大热梯度）要求材料兼具 exceptional mechanical load-carrying capability and thermal insulation performance。
- 多尺度结构设计（从微观到原子尺度）是克服这一 trade-off 的关键，包括超细孔、高质量界面和晶格畸变。
研究方法
本研究采用两步策略通过自制的超快高温合成（UHTS）装置快速制备9阳离子多孔高熵二硼化物（9PHEB）陶瓷：
- 第一步：硼热还原 - 将金属氧化物和硼粉均匀混合，通过UHTS装置在中等温度下快速加热，进行硼热还原反应，形成复合物并留下丰富孔隙。过程中B₂O₃气体的生成和逃逸导致孔隙形成。
- 第二步：固溶反应 - 将第一步的产物研磨成粉末以破坏大孔保留细孔，然后通过UHTS技术在高温下烧结，形成晶粒间的强连接，同时发生固溶反应形成单相HEB。
- 多尺度结构设计包括：微观尺度的超细孔（多数为0.8-1.2μm）、纳米尺度的无缺陷或无定形相的高质量界面、原子尺度的严重晶格畸变（质量散射为25.33%）。
- UHTS技术基于强焦耳热，在几秒钟内完成合成，加热速率高达80-140°C/s（硼热还原）和30-40°C/s（固溶反应）。
主要结论
- 成功通过UHTS技术制备了9PHEB多孔陶瓷，在50%孔隙率下表现出超高压缩强度（≈337 MPa）和低热导率（≈0.76 W/mK），是已报道多孔材料中性能最佳的之一。
- 材料在高温下（ up to 2000°C）仍保持高强度（≈690 MPa）和韧性行为，且热稳定性优异，体积收缩小。
- 多尺度结构设计（超细孔、高质量界面、晶格畸变）是实现优异机械和热性能的关键，为极端条件下的可靠热绝缘提供了有吸引力的材料。
图片内容和分析结果
图1: 制备和多尺度设计示意图
内容: 图1展示了9PHEB样品的制备过程和 multiscale 设计示意图。a) 金属氧化物和硼粉的均匀混合；b) 步骤I: 使用UHTS装置通过硼热还原形成固溶体化合物；c) 步骤II: 使用UHTS装置形成单相9PHEB样品；d) 微观尺度的超细孔特征；e) 纳米尺度的高质量界面；f) 原子尺度的晶格畸变。
分析结果: 该图说明了通过两步法成功实现多尺度结构设计，这些结构特征对材料的机械和热性能有重要影响。超细孔有助于降低热导率，高质量界面增强机械强度，晶格畸变进一步提高刚度并降低热导率。
图2: 制备和表征
内容: 图2显示了9PHEB样品的制备和表征结果。a) UHTS装置的加热温度-时间曲线，插图为装置示意图和制备样品的照片（孔隙率≈50%）；b) XRD图谱；c) 使用GSAS软件的XRD精修图谱；d) X射线显微镜重建的3D图像；e) 从重建3D微结构得到的孔径分布；f) 样品的SEM图像；g) 晶粒的TEM图像和相应FFT图；h) 原子弹性应变映射（[100]方向的正常应变）。
分析结果: XRD和精修结果证实成功合成了单相9PHEB，具有六方结构。3D重建和孔径分布显示孔隙均匀，多数孔径在0.8-1.2μm范围内，符合超细孔特征。SEM和TEM图像显示晶粒良好烧结，界面干净无缺陷，支持高质量界面的存在。原子应变映射显示严重晶格畸变，这是由于不同阳离子半径的原子 incorporation 所致。
图3: 元素分布
内容: 图3展示了 fabricated 9PHEB样品在微米和纳米尺度的元素分布。a) SEM图像和相应的EDS映射；b) 一个晶粒的TEM图像和相应的EDS映射。
分析结果: EDS映射显示所有九种金属元素在微米尺度均匀分布，且摩尔比 equimolar。在纳米尺度也没有观察到元素偏析，表明元素分布良好，这有助于均匀的晶格畸变和性能一致性。
图4: 机械性能
内容: 图4展示了 fabricated 9PHEB样品的机械性能。a) 不同孔隙率样品的压缩应力-应变曲线；b) 孔隙率45-55%范围内样品的Weibull分布；c) 9HEB样品的强度与孔隙率关系，与报道的多孔陶瓷比较；d) 高温下的原位压缩应力-应变曲线；e) 在1800和2000°C测试的样品的应力-相对孔隙率曲线；f) 9HEBs的强度与测试温度关系，与其他材料比较。
分析结果: 压缩测试显示强度随孔隙率降低而增加，在50%孔隙率时强度达337 MPa。Weibull模量为7.9，表明材料机械可靠性高。高温测试显示在1500°C时强度保持98.5%，在1800和2000°C下表现出韧性行为，强度高达690 MPa。与其他多孔陶瓷相比，9PHEB在高温下具有更好的强度，适用于恶劣环境。
图5: 热性能
内容: 图5展示了 fabricated 9PHEB样品的热性能。a) 从室温到300°C的热导率、比热容和热扩散率；b) 热导率与压缩强度关系，与其他多孔陶瓷系统比较；c) 样品在1000、1500和2000°C退火后的体积收缩、平均晶粒尺寸和热导率变化；d) 样品在1000、1500和2000°C退火后的压缩应力-应变曲线。
分析结果: 热导率在室温下为0.76 W/mK，随温度升高略有增加 due to increased thermal radiation。与其他材料相比，9PHEB在强度和热导率方面表现优异。退火实验显示体积收缩小（2000°C后仅2.4%），晶粒粗化有限，热导率轻微增加，但机械强度保持良好，证实了 exceptional thermal stability。