近期，華南理工大學材料科學與工程學院褚衍輝研究團隊通過多尺度結構設計，成功制備了兼具超強力學強度和高隔熱性的高熵多孔硼化物陶瓷材料。同時，該材料還展現出了2000℃高溫穩定性。相關研究成果近日刊發于國際期刊《先進材料》。
隨著飛行速度的不斷提升，新一代高超聲速飛行器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科學家的追求目標，然而，這兩種屬性在一定程度上是相互制約的。
陶瓷核心部件主要依賴于進口
目前陶瓷外殼主要的市場份額仍然被日本京瓷等海外巨頭所占有，我國部分核心零部件的陶瓷外殼、陶瓷基座主要依賴于進口。國內各陶瓷外殼生產廠商加大投資力度，提升研發水平，但高端產品研發能力仍需提高?？傊?，在核心零部件的電子陶瓷市場，正在形成由國內外企業共同競爭的格局。
目前，行業內的國外企業主要有日本京瓷、日本特殊陶業株式會社(日本NGK/NTK)和賽瑯泰克集團(GeramTec Group)。
日本京瓷成立于1959年，從事精密陶瓷零部件、半導體零部件、電子元器件等業務，目前已發展成為全球規模最大的先進陶瓷供應商，于1972年、1980年分別在東京、紐約證券交易所上市。根據日本京瓷2020財年年度報告，2020財年日本京瓷營業收入為人民幣1048.08億元，歸母凈利潤為人民幣70.60億元。零部件業務、設備及系統業務、其他業務是公司三大類主營業務，其中半導體零部件業務(陶瓷封裝、基板、有機化學材料、有機封裝、印刷電路板)與比為15.46%。
目前電子陶瓷關鍵技術強相關的城市集群主要集中在華南、長三角和粵港澳大灣區，尤其是湖南成為重點發展區域。這些城市群已投入大量政策、資金、環境和人才資源用于電子陶瓷研發，成為潛在的電子陶瓷技術發展中心。根據熱力圖的分布，華南地區有極大的可能性成為電子陶瓷技術的先導區域。重點關注湖南省婁底市新化縣、江蘇省揚州市寶應縣、廣東省深圳市龍華區等地的相關企業，以及這些地方對電子陶瓷產業發展的投資環境和潛力市場。
高性能陶瓷是如何實現的？
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。
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。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。
本研究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。
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。
同時，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。
航天、能源領域有廣闊的應用前景
“如果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，但這往往會導致材料力學強度大幅下降。同時，傳統多孔陶瓷材料耐溫性能普遍低于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?！瘪已茌x介紹。
研究團隊制備出的這種高熵多孔硼化物陶瓷材料，其優異性能源于“三大法寶”，即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。團隊通過X射線衍射和精修計算、高精度CT成像、高分辨透射電子顯微鏡、電鏡能譜、透射電鏡能譜等方式，證實了所制備的材料在結構、元素均勻性上均有著優異表現。
在力學性能測試中，該高熵多孔陶瓷材料展現出了出色的高溫壓縮強度、優異的高溫隔熱性能和熱穩定性，在航空航天、能源化工領域將有廣闊的應用前景。
這一成果的發表標志著華東理工大學在陶瓷材料領域的研究取得了重要進展，為我國在高性能陶瓷材料領域的發展做出了重要貢獻。未來，該團隊將繼續深入研究高熵多孔陶瓷材料的制備和應用，為推動我國陶瓷材料科學的發展做出更大的貢獻。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_539962.html
來源：賢集網
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。
隨著飛行速度的不斷提升，新一代高超聲速飛行器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科學家的追求目標，然而，這兩種屬性在一定程度上是相互制約的。
陶瓷核心部件主要依賴于進口
目前陶瓷外殼主要的市場份額仍然被日本京瓷等海外巨頭所占有，我國部分核心零部件的陶瓷外殼、陶瓷基座主要依賴于進口。國內各陶瓷外殼生產廠商加大投資力度，提升研發水平，但高端產品研發能力仍需提高?？傊?，在核心零部件的電子陶瓷市場，正在形成由國內外企業共同競爭的格局。
目前，行業內的國外企業主要有日本京瓷、日本特殊陶業株式會社(日本NGK/NTK)和賽瑯泰克集團(GeramTec Group)。
日本京瓷成立于1959年，從事精密陶瓷零部件、半導體零部件、電子元器件等業務，目前已發展成為全球規模最大的先進陶瓷供應商，于1972年、1980年分別在東京、紐約證券交易所上市。根據日本京瓷2020財年年度報告，2020財年日本京瓷營業收入為人民幣1048.08億元，歸母凈利潤為人民幣70.60億元。零部件業務、設備及系統業務、其他業務是公司三大類主營業務，其中半導體零部件業務(陶瓷封裝、基板、有機化學材料、有機封裝、印刷電路板)與比為15.46%。
目前電子陶瓷關鍵技術強相關的城市集群主要集中在華南、長三角和粵港澳大灣區，尤其是湖南成為重點發展區域。這些城市群已投入大量政策、資金、環境和人才資源用于電子陶瓷研發，成為潛在的電子陶瓷技術發展中心。根據熱力圖的分布，華南地區有極大的可能性成為電子陶瓷技術的先導區域。重點關注湖南省婁底市新化縣、江蘇省揚州市寶應縣、廣東省深圳市龍華區等地的相關企業，以及這些地方對電子陶瓷產業發展的投資環境和潛力市場。
高性能陶瓷是如何實現的？
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。
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。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。
本研究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。
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。
同時，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。
航天、能源領域有廣闊的應用前景
“如果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，但這往往會導致材料力學強度大幅下降。同時，傳統多孔陶瓷材料耐溫性能普遍低于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?！瘪已茌x介紹。
研究團隊制備出的這種高熵多孔硼化物陶瓷材料，其優異性能源于“三大法寶”，即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。團隊通過X射線衍射和精修計算、高精度CT成像、高分辨透射電子顯微鏡、電鏡能譜、透射電鏡能譜等方式，證實了所制備的材料在結構、元素均勻性上均有著優異表現。
在力學性能測試中，該高熵多孔陶瓷材料展現出了出色的高溫壓縮強度、優異的高溫隔熱性能和熱穩定性，在航空航天、能源化工領域將有廣闊的應用前景。
這一成果的發表標志著華東理工大學在陶瓷材料領域的研究取得了重要進展，為我國在高性能陶瓷材料領域的發展做出了重要貢獻。未來，該團隊將繼續深入研究高熵多孔陶瓷材料的制備和應用，為推動我國陶瓷材料科學的發展做出更大的貢獻。
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