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粉体百科丨高熵陶瓷材料简介


来源:中国粉体网   平安

[导读]  高熵陶瓷材料通常是指由5种或以上陶瓷组元形成的多主元固溶体,由于其新奇的“高熵效应”以及优异的性能,近年来已经成为陶瓷领域的研究热点之一。

中国粉体网讯  高熵陶瓷材料通常是指由5种或以上陶瓷组元形成的多主元固溶体,由于其新奇的“高熵效应”以及优异的性能,近年来已经成为陶瓷领域的研究热点之一。随着高熵陶瓷的研究体系从最初的岩盐型氧化物(MgNiCoCuZn)O扩展到萤石型氧化物、钙钛矿型氧化物、尖晶石型氧化物以及硼化物、碳化物和硅化物等,其特殊的力学、电学、磁学等性能也不断被发掘。

1、高熵效应与高熵合金

高熵效应的概念来自于高熵合金,而高熵合金(high entropy alloys)的概念最早则是由中国台湾清华大学和英国布拉德福德大学两个课题组相继提出并确定,到目前为止已历经15年的发展,从Cu、Co、Ni、Cr、Al、Fe和V等金属中选择至少5种合金元素,按照接近等摩尔比进行混合,使用溅射、熔融、铸造等方式制备合金或合金涂层,其具有简单的单相面心立方(FCC)或者体心立方(BCC)的晶体结构和超常的力学性能,并具有常规金属所不具有的相稳定性。将这种合金定义为高熵合金,开启了高熵合金的研究序幕。

2、高熵效应的特点


3、高熵陶瓷的研究现状

(1)高熵氧化物陶瓷

2015年,Rost、Maria和Curtarolo等首次报道了一种高熵陶瓷材料,他们以MgO、NiO、CoO、CuO以及ZnO为初始原料,其中除了CuO、ZnO之外,其余3种氧化物均为岩盐矿结构。将5种氧化物均匀混合,在空气中加热,并在875℃保温12h即可形成单相的(MgNiCoCuZn)O高熵陶瓷。

(2)高熵硼化物陶瓷

高熵硼化物陶瓷的研究主要集中在过渡金属IVB、VB族的二硼化物(MB2),这些硼化物大多具有AlB2型六方结构,即B原子形成类似于石墨的层状结构,金属原子穿插在层间,正是由于B—B环以及M—B键的强共价特征,MB2具有很高的熔点、硬度、强度、热稳定性以及导电性,因此可应用于装甲材料、航空材料、切割刀具材料等领域。高熵理论给设计新的硼化物陶瓷带来了更大的空间,通过不同组分的设计,可以形成多种多组元固溶体,极大地拓展了超高温陶瓷的种类,并且可以更精细地调控其性能。

(3)高熵碳化物陶瓷

高熵碳化物陶瓷的研究目前也主要集中在过渡金属IVB、VB族碳化物固溶体。这些碳化物具有岩盐结构,且与硼化物一样,具有很强的共价键特征及很高的熔点,可应用于各种极端条件下。多种金属离子固溶到一个晶体中,也同样极大地拓展了碳化物陶瓷的种类。

对过渡族难熔金属碳化物高熵陶瓷的研究,起初聚焦于五组元(TiZrHfNbTa)C高熵陶瓷,并逐步扩展到(TiZrHfVNb)C、(TiZrNbTaMo)C、(TiZrNbTaW)C和(TiHfVNbTa)C等体系。但是也有对三组元碳化物固溶体陶瓷(ZrNbTa)C、(ZrNbTi)C和四组元碳化物固溶体陶瓷(HfTaZrTi)C、(HfTaZrNb)C、(ZrNbTiV)C的报道。同时,为了使混合熵达到最大值,已报道的碳化物高熵陶瓷体系中各组元含量均为等摩尔比。

(4)其他非氧化物高熵陶瓷

除了上述常见的氧化物、硼化物、碳化物以外,高熵氮化物、硅化物、热电材料也有研究报道。其中,氮化物是最早报道的高熵材料之一。

参考来源:

王晓鹏等.高熵合金及其他高熵材料研究新进展.哈尔滨工业大学

陈磊等.过渡金属非氧化物高熵陶瓷的研究进展.哈尔滨工业大学

顾俊峰等.高熵陶瓷材料研究进展.武汉理工大学

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