原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Wang J, Chen L, Feng J. Multi-dimensional structural design pioneered oxide ceramics with melting points beyond 3000 °C. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221226

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221226

ResearchGate：Multi-dimensional structural design pioneered oxide ceramics with melting points beyond 3000 °C

1、导读

面向高超声速飞行与核聚变等极端热环境，非放射性氧化物材料普遍难以跨越3000 °C的熔点上限，成为限制氧化物热防护体系进一步提升服役温度的关键瓶颈。本文以周延春团队在Journal of Advanced Ceramics发表的“突破3000 °C氧化物熔点壁垒”研究为对象，系统提炼“晶体对称性-配位数-价电子浓度(VEC)-阳离子半径-成键特征”五维协同设计逻辑，并总结其可迁移的材料筛选-验证路径，为下一代超高温氧化物的工程化应用提供更清晰的研究框架与发展方向。

2、研究背景

随着航空航天与能源技术持续迈向更极端的温度边界，对热防护材料的极限服役能力提出了更高的要求。作为重要的热防护材料，氧化物陶瓷的熔点在很大程度上决定了热防护系统的温度上限。然而在多数情况下，传统合金化或掺杂策略往往导致氧化物熔点下降而非提升；同时，对熔点与材料本征性能之间的耦合规律缺乏清晰认识，使得超高温氧化物研发在相当程度上仍依赖“试错式”探索，缺乏可推广的理性设计指南。

周延春等人的工作破解这一难题。他们通过对大量二元过渡金属氧化物进行数据挖掘，首次建立了熔点与晶体对称性、配位数、VEC、阳离子半径及d-p轨道杂化之间的统计关联规律。在此理论指导下，他们成功设计出熔点高达3006°C的HfO₂-Ta固溶体。这项突破性研究在解决具体问题的同时，更抛出了一个更深层次的命题：如何将这次成功的“个案”转化为可复制的“范式”？冯晶教授团队立足于该文章的研究成果，对论文进行学术提炼与展望，将具体的实验突破凝练为普适的设计科学，推动整个领域从“经验探索”向“理性设计”转型。

3、文章亮点

（1）文章将突破性实验成果凝练出“对称性-价电子浓度-阳离子半径-配位数-轨道杂化”协同调控的多维设计范式，为探索超高温氧化物提供了普适框架。

（2）系统性指明了未来需在原子尺度机理、超高温性能表征及工程化验证三个层面开展进一步研究，以推动材料走向实际应用。

（3）该设计框架直接面向核反应堆、高超声速飞行器和航空/航天发动机等国家重大战略需求中的超高温部件热防护系统，并可通过进一步性能优化拓展至更广泛的应用领域。

4、研究结果及结论

该Prospective围绕周延春团队在超高温氧化物领域的代表性成果，依次从“需求-设计-验证-展望”四个层面展开，梳理了原文工作的关键路线，提出了面向未来的研究方向与应用落点。原文基于统计关联提出：通过晶体结构（对称性与配位环境）和电子结构（价电子浓度与成键特征）协同调控，来实现熔点提升。本文进一步将其概括为“五维协同”框架：以高对称、配位数CN=8的母相结构为骨架，在有效价电子浓度范围内进行精确调控，同时利用小半径、高价态5d阳离子带来的晶格收缩与成键增强效应，为固溶体熔点提升提供了可借鉴的设计依据。

图1 高熔点氧化物陶瓷的设计准则和验证过程

回顾原文，通过高温固相合成获得Zr_1-xTa_xO₂和Hf_1-xTa_xO₂固溶体，XRD证实随Ta含量提升相结构向更高对称的四方/立方多晶型转变，并伴随衍射峰位移动所反映的晶格收缩；其次，电荷密度差分与光谱/电学结果表明d–p轨道杂化增强、费米能级提高及带隙收窄；同时，体模量随Ta掺杂而升高，实现成分的预筛选并确定最优配比。该最优配比与第一性原理预测以及经验关系式T_m = 607 + 9.3B的趋势保持一致，使“设计—预测—筛选”逻辑形成闭环。最后，激光加热测试结果证明Hf_0.85Ta_0.15O₂熔点跨越3000 °C门槛，成为首个经实验验证的>3000 °C非放射性氧化物，为后续扩展更多超高熔点氧化物材料奠定方法基础。

在此基础上，文章进一步提出几个值得推进的研究方向：①在基础研究方面，需要结合原位多尺度表征，深入揭示高价电子浓度、高配位结构中缺陷演化、熔点与氧化/挥发行为的原子尺度机理；②在材料方面，应围绕多阳离子、类高熵萤石型氧化物，系统调控熔点、热膨胀系数和高温氧输运特性，建立面向极端环境的成分-结构-性能数据库；③在工程应用方面，开展在富氧、水蒸气和高焓流下的热震、烧结和剥落行为评价；④在构件方面，开展面向航空发动机热端部件、高超声速飞行器前缘等富氧服役场景模拟，探究氧化物基结构陶瓷及其功能梯度防护体系的可行性与寿命预测方法。

图2 超高温氧化物设计范式和应用场景

文章最后强调，该多维结构设计框架的意义并不止于“发现一种熔点超过3000 ℃的新氧化物”，更在于为非放射性超高温氧化物的系统探索提供了清晰的理论框架和实践路径。通过将电子结构描述符、可测宏观参数与工程应用需求有效衔接，该Prospective为极端热环境下开发新型氧化物热防护材料提供了具有可操作性的设计开发路径，也为相关领域的交叉研究指明了方向。

5、作者及研究团队简介

第一作者，王建坤，昆明理工大学材料学院博士生。主要从事钽酸盐热障涂层复合陶瓷性能优化，钽酸盐热障涂层制备和工艺优化等相关研究工作

邮箱：595388782@qq.com

作者ORCID：0009-0000-7381-5591

通讯作者，冯晶，昆明理工大学教授、博导、材料科学与工程学院院长。曾获得中国青年五四奖章、强国青年科学家、中国稀土科技一等奖、云南省教学成果二等奖等奖励。曾任哈佛大学应用科学与工程学院副研究员，与合作导师美国工程院院士哈佛大学David R Clarke 教授共同研究开发新一代高温铁弹性低导热材料及高温超晶格能源转换材料，在理论设计及高温相变机理科学方面取得了较大突破，同时在高温涂层材料及各向异性领域获得了国际性地位，相关研究成果发表于材料学国际顶级期刊PMS、NC、Acta Mater，Physic Review，Appl Phys Lett等。目前已在国际知名杂志发表SCI检索200余篇研究论文，研究论文目前已被引用12000余次，科研评价H指数52。担任10份SCI 检索杂志客座主编/副主编，目前为60余份国际著名期刊的审稿专家，已为国际期刊审稿1000余篇次。获批国际/国家发明专利80余项(其中6项排名第一)，其中9项进入Derwent世界专利数据库。2014 年获得期刊“Physica B”颁发的“优秀审稿科学家”奖。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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