博文

中国科学院新疆理化所张博团队：能量景观—微结构协同调控实现高熵铌酸盐宽温域线性稳定测温精选

已有 473 次阅读 2026-7-16 09:31 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

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

Cite this article:

Sun H, Xu J, Jia X, et al. Homogenizing energy landscapes and microstructure enabling linear and stable thermal sensing response in high-entropy niobates. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221348

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221348

ResearchGate：Homogenizing energy landscapes and microstructure enabling linear and stable thermal sensing response in high-entropy niobates

基金支持：

本研究由国家自然科学基金（项目编号：62471468）、新疆天山英才培养计划（项目编号：2023TSYCCX0092）、新疆自然科学基金（项目编号：2024D01E32）、新疆天山创新团队计划（项目编号：2025D14011）以及中国科学院青年创新促进会（项目编号：Y2023117）共同资助。

一、导读

面向航空发动机与先进动力系统，传统热敏陶瓷难以兼顾超宽温域下的响应线性与长期高温稳定性。研究团队提出Mo调控高熵铁弹性铌酸盐策略，通过协同调节局域晶格畸变、载流子输运及晶粒—晶界能垒，构建更均衡的热敏性能。材料在−50～1250℃范围内实现高线性响应（R²=0.99907），B值波动仅4.44%；经1250℃老化1000h后，电阻漂移低至1.09%，为极端环境温度监测提供了新材料方案。

二、研究背景

随着高超声速飞行器、航空发动机及先进能源装备不断向高温、高功率密度方向发展，1000℃以上极端环境中的实时测温需求日益迫切。负温度系数热敏陶瓷虽具有灵敏度高、响应快和易集成等优势，但传统热敏材料在高温下易发生相变、缺陷迁移、晶粒粗化及晶界演化，导致响应非线性和电阻漂移，难以兼顾超宽温域测温与长期稳定性。因此，亟需通过局域结构调控和晶粒—晶界输运势垒匹配，开发兼具高线性、耐高温和抗老化能力的新型热敏材料。

三、文章亮点

1. 借助A位高熵组分提升Mo在铌酸盐晶格中的掺杂稳定性，并同步调控局域晶格畸变、原子位移和铁弹畴结构，形成可调的载流子输运性能。

2. Mo掺杂使晶粒与晶界活化能分别达到1.209和1.218eV，差值仅约0.009eV，并通过载流子浓度与迁移率的补偿变化，显著提升宽温域响应线性。

3. 最优组份陶瓷在−50～1250℃范围内实现R²=0.99907的线性热敏响应，B值波动仅4.44%；经1250℃老化1000h后，电阻漂移低至1.09%，适用于航空发动机等极端环境测温。

四、研究结果及结论

针对高温热敏陶瓷在超宽温域内响应线性不足、晶粒与晶界输运不匹配以及长期服役电阻漂移等问题，研究团队以单斜铁弹性高熵铌酸盐为基体，设计并制备了系列(Ca_0.2La_0.2Ce_0.2Eu_0.2Gd_0.2)Nb_1-xMo_xO₄陶瓷。材料采用传统固相反应结合两步烧结工艺制备：原料经球磨、1100 ℃煅烧后压制成型，随后先升温至1400℃促进初始致密化，再降至1280℃保温，以抑制过度晶粒长大并调控孔隙演化。与此同时，研究团队结合密度泛函理论计算、X射线衍射、像差校正扫描透射电镜、几何相位分析、变温霍尔测试和高温阻抗谱等手段，对Mo掺杂热力学、局域结构演化及载流子输运行为进行了系统研究。

图1 结构特征与显微结构分析

理论计算表明， A位高熵配位环境能够降低Mo占据Nb位点的形成能，提高Mo进入铌酸盐晶格的热力学稳定性。实验结果进一步显示，当Mo含量不超过0.2时，材料仍保持稳定的单斜C2/c结构；Mo掺杂使局域阳离子间距分布明显展宽，平均阳离子位移由12.02 pm增加至18.16 pm，同时改变铁弹畴间距及局域应变分布。上述结果表明，Mo并非仅作为常规取代元素调节电阻率，而是通过化学起伏、晶格畸变和铁弹畴重构，共同塑造更均衡的载流子输运特性。

图2 原子尺度的晶格畸变与元素分布

电学测试显示， HEN-0.2Mo在−50～1250 ℃范围内保持近乎理想的Arrhenius线性关系，拟合优度达到0.99907，B值波动仅为4.44%。变温霍尔测试发现，约800 ℃前后载流子浓度与迁移率呈现补偿性变化，使宏观电阻率能够随温度平滑演化。高温阻抗谱进一步分离了晶粒和晶界贡献，其中HEN-0.2Mo的晶粒与晶界活化能分别为1.209和1.218eV，差值仅约0.009eV，显著小于其他组分。结果表明，其高线性响应来源于局域结构调控、载流子输运重分配以及晶粒—晶界势垒匹配的协同作用，而非单一导电机制。

图3 电输运性质与导电机制

为验证材料在极端环境中的长期可靠性，研究团队在1250 ℃下开展了1000 h加速老化实验。优化组分在经历初始敏化和结构调整后进入稳定阶段，稳定阶段电阻漂移仅为1.09%。微结构分析表明，长期热处理过程中材料发生了后致密化和局域应变重新分配，相对密度由83.6%提高至约91.3%，同时保持受控的晶粒长大和稳定的晶体结构。应变分布在老化后明显收窄，说明高温热处理促使残余应力释放并形成更加均匀的局域结构，从而降低了继续劣化的驱动力。需要指出的是，该过程更适合表述为“老化诱导后致密化与应变均化”，而非已被完全证实的本征自修复机制。

图4 加速老化下的长期热稳定性和微观结构演变

五、作者及研究团队简介

张博，中国科学院新疆理化技术研究所研究员、博士生导师。主要从事高温热敏陶瓷材料及器件的研究与应用工作。中国科学院青促会优秀会员，第十届新疆青年科技奖获得者，新疆天山英才-青年拔尖人才入选者，新疆天山雪松-科技创新领军人才，新疆杰出青年基金获得者，中国科学院院长奖获得者，美国Alfred University访问学者。以第一作者/通讯作者在J. Adv. Ceram.（2篇）、Chem. Eng. J.、Small、J. Mater. Chem. A（5篇）、Appl. Phys. Lett.（4篇）、J. Eur. Ceram. Soc. (5篇）、J. Am. Ceram. Soc.（10篇）、ACS Appl. Mater. Interfaces (2篇）等发表 SCI 论文73篇；以第一发明人授权国家发明专利13项（其中3项已获得转化）；主持承担国家自然科学基金（2项面上，1项青年）等国家及省部级项目20余项；先后获得新疆科技进步一等奖、新疆专利奖二等奖、中国科学院首届“率先杯”决赛优胜奖等。

孙皓，中国科学院新疆理化技术研究所在读博士研究生，主要从事高温热敏陶瓷材料及其器件的研究与应用。以第一作者在J. Adv. Ceram.、Small、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J等期刊发表论文5篇。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Li W, Xian Y, Deng H, et al. Sc³⁺-modified Mg–Al–Mn–Fe–O spinel ceramics with co-enhanced microwave dielectric and thermosensitive properties for multifunctional applications. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(10): 9221153. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221153

《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、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34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；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。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。