近期，华南理工大学材料科学与工程学院褚衍辉研究团队通过多尺度结构设计，成功制备了兼具超强力学强度和高隔热性的高熵多孔硼化物陶瓷材料。同时，该材料还展现出了2000℃高温稳定性。相关研究成果近日刊发于国际期刊《先进材料》。
随着飞行速度的不断提升，新一代高超声速飞行器对隔热材料的力学强度、热导率和耐温性提出了更严苛的要求。兼具优异力学强度及隔热属性的多孔陶瓷材料一直是科学家的追求目标，然而，这两种属性在一定程度上是相互制约的。
陶瓷核心部件主要依赖于进口
目前陶瓷外壳主要的市场份额仍然被日本京瓷等海外巨头所占有，我国部分核心零部件的陶瓷外壳、陶瓷基座主要依赖于进口。国内各陶瓷外壳生产厂商加大投资力度，提升研发水平，但高端产品研发能力仍需提高。总之，在核心零部件的电子陶瓷市场，正在形成由国内外企业共同竞争的格局。
目前，行业内的国外企业主要有日本京瓷、日本特殊陶业株式会社(日本NGK/NTK)和赛琅泰克集团(GeramTec Group)。
日本京瓷成立于1959年，从事精密陶瓷零部件、半导体零部件、电子元器件等业务，目前已发展成为全球规模最大的先进陶瓷供应商，于1972年、1980年分别在东京、纽约证券交易所上市。根据日本京瓷2020财年年度报告，2020财年日本京瓷营业收入为人民币1048.08亿元，归母净利润为人民币70.60亿元。零部件业务、设备及系统业务、其他业务是公司三大类主营业务，其中半导体零部件业务(陶瓷封装、基板、有机化学材料、有机封装、印刷电路板)与比为15.46%。
目前电子陶瓷关键技术强相关的城市集群主要集中在华南、长三角和粤港澳大湾区，尤其是湖南成为重点发展区域。这些城市群已投入大量政策、资金、环境和人才资源用于电子陶瓷研发，成为潜在的电子陶瓷技术发展中心。根据热力图的分布，华南地区有极大的可能性成为电子陶瓷技术的先导区域。重点关注湖南省娄底市新化县、江苏省扬州市宝应县、广东省深圳市龙华区等地的相关企业，以及这些地方对电子陶瓷产业发展的投资环境和潜力市场。
高性能陶瓷是如何实现的？
华南理工大学褚衍辉团队提出通过多尺度结构设计，即通过利用超快速高温合成构造亚微米级超细孔、构建颗粒间的强界面以及引入9元金属阳离子严重晶格畸变，成功制备了兼具超强力学强度和高隔热的高熵多孔硼化物陶瓷材料。该材料在50%气孔率下，实现了337 MPa的压缩强度以及0.76 W m−1 K−1的热导率。同时，该材料还展现出了2000℃高温稳定性，2000℃热处理后收缩率仅为2.4%。2000℃原位高温过程中出现塑性形变，伴随着材料的逐渐致密化，最终力学强度达到了690 MPa。
多尺度结构设计是该多孔材料具备优异力学和热学性能的关键。在微米尺度上，通过超高温快速合成技术在数十秒内完成烧结，抑制晶粒生长，进而在材料内构筑均匀分布的亚微米级超细孔隙。在纳米尺度上，通过进一步固溶反应，建立晶粒之间强界面结合。在原子尺度上，通过引入9元阳离子严重晶格畸变，提高晶格内部的应力场和质量场波动，提高硼化物的本征力学强度。
本研究以硼粉及高熵氧化物陶瓷粉为起始原料，利用高温硼热还原原理，结合超高温快速合成设备（数十秒内完成升降温），实现了单相9元高熵多孔陶瓷材料的烧结制备。借助XRD和精修计算，验证了所合成的为单相硼化物陶瓷材料。通过高精度CT成像，证明了亚微米级超细孔隙在材料内部的均匀分布。利用高分辨TEM，证实了在陶瓷颗粒间界面结合状态良好，不存在缺陷和非晶相；同时计算了晶格内部的应力分布，证明了其中存在着严重的晶格畸变。
通过SEM-EDS和TEM-EDS，证明了在微米和纳米尺度上，所有金属元素均匀分布，未出现任何元素的偏析。
同时，所制备的高熵多孔陶瓷材料展现出优异的力学强度，例如50%气孔率下压缩强度为337 MPa，显著高于已报到的多孔陶瓷材料。材料在1500℃高温原位压缩测试中力学强度保持率＞95%，达到332 MPa。特别地，材料在1800和2000℃的高温下由脆性断裂行为转变为压缩塑性变形行为，压缩过程中伴随着材料的致密化，最终在约49%应变下强度达到了690 MPa。相较于目前已报道的其他多孔陶瓷，该材料展现出了出色的高温压缩强度。
航天、能源领域有广阔的应用前景
“如果通过简单降低多孔陶瓷的相对密度，可显著提高材料的隔热性能，但这往往会导致材料力学强度大幅下降。同时，传统多孔陶瓷材料耐温性能普遍低于1500℃，高温服役过程中常面临着体积收缩、力学性能衰减等问题。”褚衍辉介绍。
研究团队制备出的这种高熵多孔硼化物陶瓷材料，其优异性能源于“三大法宝”，即微观尺度上构筑的超细孔、纳米尺度上强晶间界面结合，以及原子尺度上严重晶格畸变。团队通过X射线衍射和精修计算、高精度CT成像、高分辨透射电子显微镜、电镜能谱、透射电镜能谱等方式，证实了所制备的材料在结构、元素均匀性上均有着优异表现。
在力学性能测试中，该高熵多孔陶瓷材料展现出了出色的高温压缩强度、优异的高温隔热性能和热稳定性，在航空航天、能源化工领域将有广阔的应用前景。
这一成果的发表标志着华东理工大学在陶瓷材料领域的研究取得了重要进展，为我国在高性能陶瓷材料领域的发展做出了重要贡献。未来，该团队将继续深入研究高熵多孔陶瓷材料的制备和应用，为推动我国陶瓷材料科学的发展做出更大的贡献。
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来源：贤集网
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