Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High-Entropy Ceramics up to 2000°C

超强高温隔热多孔高熵陶瓷（高达2000°C）

Zihao Wen, Zhongyu Tang, Yiwen Liu, Lei Zhuang,* Hulei Yu, and Yanhui Chu*

School of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

DOI: 10.1002/adma.202311870 | Advanced Materials | 2024

论文亮点

        首次报道了通过超快高温合成技术制备的9阳离子多孔高熵二硼化物陶瓷，具有多尺度结构设计
材料在50%孔隙率下表现出超高压缩强度（≈337 MPa）和低热导率（≈0.76 W·m⁻¹·K⁻¹），在2000°C高温下仍保持优异性能

研究背景

极端条件下（如深空和深地环境）使用的隔热材料需要同时具备优异的机械承载能力和隔热性能
传统多孔陶瓷中这些特性往往难以同时实现 - 增加孔隙率提高隔热性通常会降低机械强度
多尺度结构设计（从微米尺度到原子尺度）是克服这种权衡的关键

研究方法

采用两步策略制备9PHEB样品：

将精细硼和过渡金属氧化物均匀混合作为原料
通过自制的超快高温合成(UHTS)装置，利用强焦耳热在几秒钟内完成制备过程
第一步：在适中温度下通过硼热还原形成固溶体化合物，B₂O₃气体的大量产生和逸出在化合物中留下丰富孔隙
第二步：将化合物产物研磨成粉末，破坏大孔隙而保留细孔隙，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，形成单一HEB相

图1：9PHEB样品的制备和多尺度设计示意图

主要结论

通过简单有效的UHTS技术成功制备了具有优异机械和热性能的高性能多孔陶瓷9PHEBs

材料在≈50%孔隙率下兼具高机械强度(≈337MPa)和低热导率(≈0.76W·m⁻¹·K⁻¹)，作为可靠隔热材料具有巨大潜力

合成的9PHEB在高达2000°C下表现出优异的尺寸和强度保持率，使其适用于极端条件

材料制备与表征

图2：9PHEB样品的制备和表征：(a)通过UHTS装置的加热温度-时间曲线；(b)XRD图谱；(c)使用GSAS软件的XRD精修图谱；(d)典型样品的X射线显微镜重建3D图像；(e)重建3D微观结构的孔径分布；(f)样品的SEM图像；(g)晶粒的TEM图像和相应的FFT图谱；(h)原子弹性应变映射([100]方向的正应变)

通过UHTS技术成功合成了单相9PHEB样品，具有可调孔隙率。XRD精修结果显示低拟合因子(Rp=6.96%和Rwp=9.23%)，表明合成的9PHEBs具有六方结构，空间群为P6/mmm。

元素分布分析

图3：制备的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)晶粒的TEM图像和相应的EDS映射

通过SEM和TEM配备的能谱仪(EDS)表征了9PHEB样品的元素分布。所有九种金属元素在微米尺度上均匀分布，且为等摩尔比。在纳米尺度上未观察到元素偏析，表明我们的9PHEB样品具有良好的元素分布。

机械性能分析

图4：制备的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)孔隙率范围在45-55%的测试样品的压缩强度Weibull分布；(c)9HEB样品与已报道多孔陶瓷的强度与孔隙率关系对比；(d)样品在高温下的原位压缩应力-应变曲线；(e)样品在1800和2000°C测试的应力-相对孔隙率曲线；(f)9HEBs与其它材料的强度与测试温度关系对比

9PHEB样品表现出优异的机械性能，在室温下压缩强度高达≈337MPa，在2000°C高温下仍保持≈690MPa的超高强度，表现出韧性压缩行为。Weibull模量m测得为7.9，表明我们的材料具有机械可靠性。

热性能分析

图5：制备的9PHEB样品的热性能：(a)从室温到300°C的热导率σT、比热容Co和热扩散率α；(b)与其它多孔陶瓷系统的热导率与压缩强度对比；(c)样品在1000、1500和2000°C退火后的体积收缩率、平均晶粒尺寸和热导率σT变化；(d)样品在1000、1500和2000°C退火后的压缩应力-应变曲线

9PHEB样品表现出优异的热性能，在≈50%孔隙率下具有低热导率(0.76W·m⁻¹·K⁻¹)。材料在高达2000°C的热处理下表现出卓越的热稳定性，体积收缩率极小(仅≈2.4%)，晶粒粗化有限。