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高熵陶瓷

已有 8364 次阅读 2020-4-27 09:32 |系统分类:科研笔记| 高熵陶瓷

高熵陶瓷高对称结构.jpg

高熵陶瓷High-entropy ceramics)通常指由五种或五种以上陶瓷组元形成的固溶体,因其独特的“高熵效应”及优越的性能,近年来已成为陶瓷领域的热点。

是热力学中表征物质混乱程度的参量,其概念由克劳修斯(T.Clausius1854年提出。熵越低,系统越稳定有序;熵越高,系统越混乱。

高熵陶瓷的研究最早可追溯到2015年。当时美国北卡罗莱纳州立大学的RostMaria和杜克大学的Curtarolo等首先合作报道了一种岩盐结构的熵稳定氧化物陶瓷,即高熵陶瓷。随后,越来越多的高熵陶瓷,包括萤石结构钙钛矿结构尖晶石结构的高熵氧化物陶瓷以及硼化物碳化物氮化物硅化物等非氧化物高熵陶瓷如雨后春笋般涌现出来,逐渐成为研究热点。

高熵的基本规律和特点可以概括为以下4种效应:1. 热力学的高熵效应2. 结构的晶格畸变效应3. 动力学的迟滞扩散效应4. 组元的协同增效作用

高熵陶瓷的研究从2015 年开始,至今不过5年左右的时间。在这期间由于高熵陶瓷表现出新奇的“高熵效应”,以及优异的力学、电学、热学等性能吸引了众多的科研工作者,但一些关于高熵材料的基础研究以及更有价值的应用还在发展之中。未来高熵陶瓷发展方向可以概括为以下几点:

1. 从等物质的量比到非等物质的量比。为了保持构型熵的最大化,目前很多研究还集中在等原子比,但对于某些体系,加入少量的其他组元就可以大幅提升基体的性能。

2. 固溶体形成机理的研究。尽管有很多研究表明高熵的稳定作用可以将不同结构的组元固溶到一起去,但在一些结构简单的高熵合金中却存在分相,在部分碳化物陶瓷中也发现高熵不足以使之形成单相固溶体。总之,熵在固溶体形成中的作用还有待进一步研究。

3. 高通量计算的应用。高熵材料的组成及其含量的复杂性以及多元化使得单一计算方法难以快速预测其结构与性能,为此必须发展高通量计算方法。

4. 晶格畸变对性能的影响。晶格畸变是高熵材料最大的结构特点,高熵合金通常关注其对力学性能的影响,而对陶瓷来说,其对电学、热学、磁学等功能特性的影响更受关注。如果能够通过调节组成来调控某些功能特性,高熵陶瓷将会具有巨大的应用潜力。

5. 高温力学性能。多组元固溶体的迟滞扩散效应。理论上会增加其抵抗高温变形的能力(即高温稳定性),如三组元碳化物陶瓷的高温强度,在某些温度区间超过了所有的单一组元。这一类陶瓷在高温下具有很好的应用前景,而对于高熵陶瓷的高温力学性能还未有相关报道。


[1] C. Oses, C. Toher, & S. Curtarolo. High-entropy ceramics. Nature Reviews Materials, 2020(5): 295–309.

[2] 顾俊峰邹冀张帆高熵陶瓷材料研究进展[J]. 中国材料进展, 2019(09): 855-865.



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