隨著新一代高超聲速飛行器飛行馬赫數的不斷提升，對隔熱材料的力學強度、熱導率和耐溫性提出了更嚴苛的要求。兼具優異力學強度及隔熱屬性的多孔陶瓷材料一直是研究學者的追求目標。然而，這兩種屬性在一定程度上相互制約，對于傳統的多孔陶瓷來說往往難以兼得。通過簡單降低多孔陶瓷的相對密度，可顯著提高材料的隔熱性能（≤1 W m-1 K-1），但這又往往導致材料力學強度的大幅下降（≤10 MPa）。同時，多孔陶瓷材料的耐溫普遍有限（≤1500 ℃），高溫服役過程中常面臨著體積收縮、力學性能衰減等問題，無法滿足日益嚴苛的服役需求。

針對上述問題，華南理工大學褚衍輝團隊提出通過多尺度結構設計，即通過利用超快速高溫合成構造亞微米級超細孔、構建顆粒間的強界面以及引入9元金屬陽離子嚴重晶格畸變，成功制備了兼具超強力學強度和高隔熱的高熵多孔硼化物陶瓷材料。該材料在50%氣孔率下，實現了337 MPa的壓縮強度以及0.76 W m-1 K-1的熱導率。同時，該材料還展現出了2000℃高溫穩定性，2000℃熱處理后收縮率僅為2.4%。2000℃原位高溫過程中出現塑性形變，伴隨著材料的逐漸致密化，最終力學強度達到了690 MPa。相關研究結果以題為Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High-Entropy Ceramics up to 2000 °C發表于Advanced materials上。華南理工大學的莊磊副教授和褚衍輝研究員為共同通訊作者，博士研究生文子豪和碩士研究生唐忠宇為共同第一作者。華南理工大學為唯一通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202311870

1、高熵多孔陶瓷材料的多尺度結構設計

多尺度結構設計是該多孔材料具備優異力學和熱學性能的關鍵。如圖1所示，在微米尺度上，通過超高溫快速合成技術在數十秒內完成燒結，抑制晶粒生長，進而在材料內構筑均勻分布的亞微米級超細孔隙。在納米尺度上，通過進一步固溶反應，建立晶粒之間強界面結合。在原子尺度上，通過引入9元陽離子嚴重晶格畸變，提高晶格內部的應力場和質量場波動，提高硼化物的本征力學強度。

圖1. 高熵多孔陶瓷多尺度設計示意圖：a) 第一步：金屬氧化物和硼粉均勻混合。b) 第二步：利用超高溫快速合成設備通過硼熱還原形成固溶化合物。c) 第三步：使用超高溫快速合成設備形成單相9元高熵多孔陶瓷。多尺度設計具有以下特征：d) 超細孔隙，e) 高質量界面，f) 晶格畸變。

2、高熵多孔陶瓷材料的結構表征

本工作以硼粉及高熵氧化物陶瓷粉為起始原料，利用高溫硼熱還原原理，結合超高溫快速合成設備（數十秒內完成升降溫），實現了單相9元高熵多孔陶瓷材料的燒結制備。借助XRD和精修計算，驗證了所合成的為單相硼化物陶瓷材料。通過高精度CT成像，證明了亞微米級超細孔隙在材料內部的均勻分布。利用高分辨TEM，證實了在陶瓷顆粒間界面結合狀態良好，不存在缺陷和非晶相；同時計算了晶格內部的應力分布，證明了其中存在著嚴重的晶格畸變。

圖2. 樣品的制備和表征：a) 超高溫合成制備的升降溫過程。b) XRD衍射圖譜。c) XRD衍射精修計算。d) CT重建3D圖像。e) 3D重建結構中的孔隙尺寸分布。f) SEM圖像。g) 顆粒的TEM及其對應的傅里葉變換（FFT）圖。h) 原子彈性應變映射。

3、元素均勻性表征

如圖3所示，通過SEM-EDS和TEM-EDS，證明了在微米和納米尺度上，所有金屬元素均勻分布，未出現任何元素的偏析。

圖3. 樣品的元素分布：a) SEM圖像及其相應的EDS能譜。b) TEM透射圖像及其相應的EDS能譜。

4、力學性能測試

如圖4 所示，所制備的高熵多孔陶瓷材料展現出優異的力學強度，例如50%氣孔率下壓縮強度為337 MPa，顯著高于已報到的多孔陶瓷材料。材料在1500℃高溫原位壓縮測試中力學強度保持率＞95%，達到332 MPa。特別地，材料在1800和2000℃的高溫下由脆性斷裂行為轉變為壓縮塑性變形行為，壓縮過程中伴隨著材料的致密化，最終在約49%應變下強度達到了690 MPa。相較于目前已報道的其他多孔陶瓷，該材料展現出了出色的高溫壓縮強度。

圖4. 力學性能測試結果：a) 不同孔隙率樣品的壓縮應力-應變曲線。b) 孔隙率45-55％范圍內樣品壓縮強度的Weibull分布。c) 力學強度與報道的多孔陶瓷對比。d) 1500、1800、2000°C原位壓縮過程中的應力-應變曲線。e) 1800和2000°C下原位測試過程中樣品的應力-孔隙率變化曲線。f)測試工作溫度和力學強度與已報道的多孔陶瓷對比。

5、熱導率及高溫穩定性測試

所制備的高熵多孔材料同時還展現出優異的高溫隔熱性能和熱穩定性。如圖5所示，材料在50%氣孔率下，熱導率可低至0.76 W m -1 K-1。在進行1000、1500、2000℃高溫熱處理后，材料的體積尺寸幾乎未發生任何變化（2000℃時收縮率僅為2.4%），力學強無衰減，具有出色的高溫熱穩定性。

圖5. 樣品的熱導率及高溫熱穩定性測試結果：a) 室溫至300 ℃材料的熱導率 T，比熱容量Cp和熱擴散率 變化情況。b) 熱導率、壓縮強度與已報到的多孔陶瓷對比。c) 1000、1500和2000℃熱處理后樣品的體積收縮、平均晶粒尺寸和熱導率 T的變化情況。d) 1000、1500和2000℃熱處理后樣品的壓縮應力-應變曲線。

結論與展望：

本工作通過多尺度結構設計，結合超高溫快速燒結技術，成功制備了兼具優異力學和隔熱性能的高熵多孔陶瓷材料。該材料的優異性能主要源于微觀尺度上構筑的超細孔，納米尺度上強晶間界面結合，以及原子尺度上嚴重晶格畸變。該高熵多孔陶瓷材料在航空航天、能源化工領域具有廣闊的應用前景。

感謝國家自然基金委（52122204和51972116）項目、國家重點研發項目（2022YFB3708    600）、廣東省基礎與應用基礎研究基金（202201010632）的資助。