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中国科学院兰州化学物理研究所张永胜等：面向摩擦学应用的高熵陶瓷材料—研究进展与未来展望

已有 124 次阅读 2026-9-9 10:52 |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:

Zheng X, Sun Q, Yan W, et al. High-entropy ceramics for tribology applications: Recent advances and future directions. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221365

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221365

ResearchGate：High-entropy ceramics for tribology applications: Recent advances and future directions

基金支持：

本研究得到国家自然科学基金（项目编号：U23A20562、U25A20229、52502081）、中国博士后科学基金（项目编号：2025M770063）、甘肃省优秀青年基金项目（项目编号：24JRRA040）以及甘肃省科技计划项目（项目编号：23ZDKA0001）的资助。

一、导读

高熵陶瓷作为新兴多功能材料，在极端工况摩擦学领域展现出巨大潜力，但研究碎片化、机理不清、缺乏标准化评价体系等问题制约其发展。中国科学院兰州化学物理研究所联合多家单位，围绕碳化物、硼化物、MAX相六大高熵陶瓷体系，系统梳理了其摩擦学研究进展，创新性提出了“外源储库释放”与“原位自适应润滑”双机制分类框架，并揭示了高熵效应（晶格畸变、缓慢扩散、鸡尾酒效应）协同调控摩擦学性能的内在机理。研究明确了领域面临的三大核心挑战，并前瞻性提出数据驱动设计、多尺度原位建模、低成本涂层制造三大发展路径，为高熵陶瓷从实验室走向航空发动机、核反应堆等极端环境应用提供了系统性的理论框架与技术路线图。

二、研究背景

随着航空航天、核能装备、高速切削等尖端技术的快速发展，机械系统日益面临高温（>1000 °C）、高真空、强辐射、重载荷等极端工况的挑战。传统液体润滑油/脂在这些条件下极易挥发、分解或失效，而现有固体润滑材料如石墨、MoS₂、h-BN等虽在特定条件下表现优异，却普遍存在单一环境下适应性差、高温氧化失效、承载能力不足等瓶颈，难以满足极端工况对耐磨与自润滑协同性能的要求。

高熵陶瓷作为近年来涌现的新型陶瓷材料，通过将多种主元元素以等摩尔或近等摩尔比例固溶到同一晶格中，利用高熵效应引发的晶格畸变、缓慢扩散和“鸡尾酒效应”，实现了传统陶瓷难以企及的性能组合。特别是在摩擦学领域，高熵陶瓷展现出优异的高温稳定性、力学性能以及独特的自适应润滑能力，为解决极端工况下的润滑难题提供了全新材料平台。然而，该领域研究尚处于起步阶段，存在以下突出问题：一是研究体系分散，碳化物、氮化物关注度远高于硼化物、硅化物，缺乏系统性的横向对比；二是自润滑机制认知不足，高温下熵效应与氧化行为的耦合机制尚未厘清；三是缺乏标准化的摩擦学测试数据，难以实现跨研究的性能对比与规律总结。因此，系统梳理高熵陶瓷摩擦学的研究进展，提出统一的分类框架，明确当前瓶颈与未来方向，对于推动该领域从经验探索走向理性设计、从实验室走向工程应用具有重要的学术价值和迫切的现实意义。

三、 文章亮点

1. 六大体系全景式对比：首次系统梳理碳化物、硼化物、硅化物、氧化物、氮化物和MAX相六类高熵陶瓷的摩擦学性能，揭示不同体系的研究热度差异与性能优势，为材料选型提供全景图谱。

2. 双机制润滑分类框架：创新性提出“外源储库释放”（预嵌Ag、MoS₂、h-BN等固体润滑剂）与“原位自适应润滑”（摩擦诱导生成MoO₃、V₂O₅、B₂O₃等润滑膜）两大自润滑机制，为高熵陶瓷润滑设计提供系统理论指导。

3. 高熵效应协同机制揭示：深入阐明了晶格畸变、缓慢扩散与“鸡尾酒效应”协同调控摩擦学性能的内在机理，揭示了高熵陶瓷从“高硬脆性”向“高强耐磨自润滑”转变的关键突破路径。

4. 四大维度发展路线图：从潜在应用、优化策略、当前挑战到未来方向，构建了完整的四维研究框架，明确提出数据驱动理性设计、多尺度原位机理建模、低成本涂层制造三大优先发展路径，为领域从实验室走向工程应用提供清晰路线图。

5. 极端工况应用前景：系统评估了高熵陶瓷在航空航天发动机轴承（>800°C高温稳定性）、高速切削工具（超硬耐磨涂层）和核反应堆部件（耐辐照、耐腐蚀）等极端环境下的应用潜力，为下一代高端装备自润滑材料发展指明方向。

四、研究结果及结论

研究背景

极端工况下（高温>1000°C、高真空、强辐射、重载荷），传统液体润滑剂易挥发分解，固体润滑材料如石墨、MoS₂、h-BN等虽在特定条件下表现优异，但普遍存在单一环境适应性差、高温氧化失效、承载能力不足等瓶颈，难以满足高端装备对耐磨与自润滑协同性能的苛刻要求。高熵陶瓷凭借多主元等摩尔或近等摩尔固溶设计，利用晶格畸变、缓慢扩散与“鸡尾酒效应”的协同作用，展现出传统陶瓷难以企及的高温稳定性、力学性能与自适应润滑潜力，为解决极端工况润滑难题提供了全新材料平台。然而，该领域研究体系分散、润滑机制认知不足、缺乏标准化评价体系，亟需系统性梳理与前瞻性展望。

方法创新：

本文系统检索并筛选了2015–2025年间Web of Science核心合集收录的500余篇高熵陶瓷摩擦学文献，采用文献计量分析与机理解读相结合的方法，首次实现了以下创新突破：

1.六大体系全景式对比评估：将高熵陶瓷划分为碳化物、硼化物、硅化物、氧化物、氮化物和MAX相六大类，按照块体、涂层/薄膜、复合材料三种形态分别梳理其摩擦学性能，并量化各体系研究热度差异，揭示了领域发展不均衡的现状，为后续研究布局提供了宏观参考。

图1 不同类别高熵陶瓷（硅化物、碳化物、氮化物、硼化物、MAX 相及氧化物）的摩擦学性能与内在机理汇总示意图。各彩色扇区的径向长度代表相对研究热度，直观体现不同高熵陶瓷体系发展不均衡的现状与研究热点。（“相对研究热度”定义为归一化年度发文量（Nannual/Nmax）。数据来源于Web of Science核心合集人工筛选的500余篇文献。）

2.双机制自润滑分类框架的提出：创新性归纳出两种自润滑路径——（1）外源“储库释放”模式：预嵌Ag、MoS₂、h-BN等固体润滑剂，在摩擦过程中通过剪切驱动释放；（2）原位“自适应润滑”模式：通过设计含Mo、V、W、B等元素的高熵组分，在摩擦界面原位生成MoO₃、V₂O₅、B₂O₃等润滑氧化物或非晶碳膜，实现“自愈合”润滑。同时，将润滑氧化物按功能分为低剪切Magnéli相、低温熔融玻璃相和高承载硬质氧化物三类，明确了各自的润滑温度窗口与协同机制。

3.四维研究框架构建：从潜在应用、优化策略、当前挑战到未来方向，构建了完整的研究路线图，明确提出数据驱动理性设计、多尺度原位机理建模、低成本涂层制造三大优先发展路径。

图2高熵陶瓷两种润滑机制：外源储释型自润滑与摩擦诱导原位自适应润滑。

核心发现与验证：

通过系统对比各体系代表性数据，本文验证了以下核心结论：

1.高熵效应显著提升摩擦学性能：高熵陶瓷凭借晶格畸变、缓慢扩散和“鸡尾酒效应”的协同作用，在耐磨性和自适应润滑方面显著优于传统陶瓷。不同体系在室温和高温下均展现出稳定的摩擦系数和较低的磨损率，部分体系在特定温度区间实现了超低摩擦和超低磨损。

2.双机制润滑路径得到实验验证：外源“储库释放”模式通过预嵌固体润滑剂实现宽温域润滑，原位“自适应润滑”模式通过摩擦诱导生成润滑膜实现自愈合，两种机制在不同体系和工况下均得到有效验证。其中，含Mo、V、W、B等元素的高熵组分在高温下原位生成润滑氧化物的策略尤为突出，为单相陶瓷实现自润滑提供了全新途径。

3.三大核心挑战明确：（1）缺乏标准化摩擦学测试数据，不同研究在载荷、速度、温度和对偶材料方面的显著差异使得横向对比十分困难；（2）高熵效应在摩擦过程中的作用机理理解不足，尤其是高温下熵效应与氧化行为的耦合机制尚未厘清；（3）高熵陶瓷合成成本较高，主要依赖放电等离子烧结等高能耗工艺，限制了大规模应用。

4.三大发展路径验证可行：数据驱动理性设计、多尺度原位机理建模和低成本涂层制造三大路径被证明是推动高熵陶瓷摩擦学从实验室走向工程应用的关键方向，其中涂层技术被视为实现工业化的最可行路径。

应用前景：

本文系统评估了高熵陶瓷在三大极端工况领域中的应用潜力：

1.航空航天：高熵陶瓷在航空发动机轴承、密封件和涡轮叶片涂层中展现出优异的超高温稳定性、抗氧化性和耐磨性，可显著提升系统可靠性和服役寿命。

2.先进制造：高熵陶瓷在高速切削工具中具有优异的红硬性和抗扩散磨损能力，在精密模具中有效缓解高温粘着、磨粒磨损和热疲劳，显著延长工具和模具寿命。

3.核能系统：高熵陶瓷凭借优异的耐辐照、抗蠕变和化学惰性，在控制棒、燃料包壳和堆芯结构件中展现出良好的应用前景。

图 3 极端摩擦条件下高熵陶瓷的优化框架与应用领域。内环为核心材料调控手段：成分设计、微观结构调控、表面沉积；外环对应航空航天、先进制造、能源系统等工程领域，展现其在强磨损、超 800 ℃高温、辐照及腐蚀环境下的应用潜力。

本文通过系统综述六大高熵陶瓷体系的摩擦学性能，创新性地提出了双机制自润滑分类框架，揭示了高熵效应协同调控摩擦学性能的内在机理，明确了领域面临的三大核心挑战（数据标准化不足、机理认知有限、合成成本高），并前瞻性地提出了数据驱动设计、多尺度原位建模和低成本涂层制造三大发展路径。本研究为高熵陶瓷从实验室走向极端工况工程应用提供了系统的理论框架与技术路线图，对推动下一代高端装备自润滑耐磨材料的发展具有重要指导意义

五、作者及研究团队简介

郑先德（第一作者），中国科学院兰州化学物理研究所博士研究生，主要从事高熵陶瓷材料设计、制备与性能研究，以第一作者发表SCI文章2篇，授权专利2篇，获批甘肃省优秀博士生项目1项。

孙奇春（共一作者），兰州交通大学材料科学与工程学院副教授。

樊恒中（通讯作者），中国科学院兰州化学物理研究所研究员、博士生导师。

张伟彬（通讯作者），山东大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。

张永胜（通讯作者），中国科学院兰州化学物理研究所研究员、博士生导师。

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

1）Li J, Su Y, Chen S, et al. High-entropy diboride: A novel high-temperature self-lubricating ceramic with enhanced mechanical and tribological properties. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(6): 9221085. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221085

2）Ying H, Guo Q, Wen Y, et al. Toughening and high-temperature self-lubricating of high-entropy boride ceramics through h-BN. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(8): 9221120. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221120

3）Chen H, Zhao E, Wen X, et al. Phase engineering on high-entropy transition metal dichalcogenides and the entropy-enhanced thermoelectric performance. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(12): 1985-1995. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220991

4）Song K, Yang S, Shao N, et al. Highly strengthening and toughening biomimetic ceramic structures fabricated via a novel coaxially printing. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(4): 403-412. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220858

5）Li J, Zhou Y, Su Y, et al. Synthesis and mechanical and elevated temperature tribological properties of a novel high-entropy (TiVNbMoW)C_4.375 with carbon stoichiometry deviation. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(2): 242-257. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220679

6）CHEN S-n, FAN H, SU Y, et al. Bioinspired PcBN/hBN fibrous monolithic ceramic: High-temperature crack resistance responses and self-lubricating performances. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(9): 1391-1403. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0618-y

7）CHEN S, FAN H, SU Y, et al. Influence of binder systems on sintering characteristics, microstructures, and mechanical properties of PcBN composites fabricated by SPS. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(2): 321-330. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0536-4

《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，清华大学出版社有限公司出版，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有限公司自主研发、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。