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

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Ouyang Y, Wang S, Zhu W, et al. Electronic-instability-driven phase separation enables grain-boundary toughening in high-entropy carbides. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221403

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221403

ResearchGate：Electronic-instability-driven phase separation enables grain-boundary toughening in high-entropy carbides

基金支持：

本工作得到广州市基础研究计划（市校（院）企联合资助项目，SL2024A03J00679）、国家自然科学基金（52272058、52302063）、中国科协青年人才托举工程（2023QNRC001）以及广州大学研究生创新训练计划项目（JCCX2025054）的资助。

一、导读

高熵碳化物在一定条件下可能发生元素偏析和相分离，但如何利用其相不稳定性调控微观结构与力学性能仍缺乏深入认识。本研究结合第一性原理计算与超高压烧结，提出电子不稳定性驱动的相分离策略。研究发现，含Co的高熵碳化物（(Hf_(1−X)/4Zr_(1−X)/4Nb_(1−X)/4Ta_(1−X)/4Co_X)C (X = 0.14, 0.18, and 0.20)），Co在0–6 GPa范围内具有自发偏析倾向，并形成沿晶界分布的韧性FCC-Co相，使断裂韧性由4.5提升至5.0 MPa·m^0.5。该研究为高熵陶瓷的微结构设计与强韧化提供了新思路。

二、研究背景

随着航空航天、超高温热防护及先进制造技术的发展，极端服役环境对材料的耐高温、高硬度及抗断裂性能提出了更高要求。高熵碳化物（HECs）凭借高熔点、高硬度和优异的热稳定性，成为超高温陶瓷领域的重要研究方向。然而，其固有的脆性和较低的断裂韧性仍限制着实际应用。

目前，高熵碳化物的研究主要集中于单相固溶体的稳定化及传统强韧化策略，而元素偏析与相分离所蕴含的微结构调控潜力尚未得到充分挖掘。尤其是高压条件下电子结构演变如何驱动相分离，以及能否利用析出相构建晶界增韧结构，仍缺乏深入认识。因此，探索利用内禀相不稳定性实现高熵碳化物强韧化的新策略具有重要意义。

三、文章亮点

1. 揭示电子结构驱动的相不稳定机制。第一性原理计算表明，费米能级附近的Co–C反键态使高熵碳化物固溶体趋于不稳定，分解吉布斯自由能为负，且压力促进Co元素偏析。

2. 阐明压力诱导Co析出的微观结构演变机制。通过COHP、DOS、Voronoi、Bader及径向分布函数（RDF）分析，揭示了Co析出伴随的局部晶格畸变、原子体积失配及Co原子团簇化行为。

3. 提出基于晶界韧性相的增韧策略。析出的FCC-Co相在晶界形成具有较高位错密度的韧性界面，促进应变协调、裂纹偏转及能量耗散，从而提高高熵碳化物的断裂韧性。

四、研究结果及结论

第一性原理计算表明，Co的引入在费米能级附近产生反键合Co–C电子态，与相对稳定的过渡金属–C共价键合网络形成明显差异，导致高熵碳化物固溶体存在内禀热力学不稳定性。分解吉布斯自由能在0–6 GPa范围内始终为负，表明Co偏析具有热力学驱动力。进一步分析发现，外部压力会增强Co–C与其他过渡金属–C之间的键合不对称性，促进Co元素偏析与相分离。同时，这一过程伴随着明显的局部晶格畸变、原子体积失配及Co原子团簇化，揭示了电子结构演变与短程原子有序化之间的内在联系。

图 1 (a) 金属-碳键的 ICOHP 值，反映键强；(b) 不同压力下钴原子的原子体积失配和Bader体积失配。

微观结构表征进一步证实，偏析的Co形成FCC结构的韧性第二相，并优先分布于晶界区域。尽管Co相与碳化物基体之间存在结构差异，但两者仍表现出良好的界面相容性。晶界附近的位错活动有助于局部应变协调，减弱应力集中。同时，韧性Co富集界面能够促进裂纹偏转、分支及扩展过程中的能量耗散，从而改善材料的抗断裂能力。

图2 高熵碳化物的透射电子显微镜表征：(a) 整体微观结构；(b) 区域A的高分辨率透射电子显微镜图像及区域C的相应傅里叶变换（FFT）图；(c) 显示位错结构的逆傅里叶变换（IFFT）图像；(d) 界面（区域B）的高分辨率透射电子显微镜图像； (e) (d)处的GPA应变图；(f) 界面处的SAED图；(g) 跨界面的EDS元素映射图。

图3 高熵碳化物在500 g载荷作用下压痕形态的扫描电子显微镜（SEM）图像：(a) 整体视图；(b–d) (a)中A、B和C区域的高倍放大图

上述结果表明，高熵碳化物的相不稳定性并非必然意味着材料性能劣化。通过调控电子结构与压力条件，可以将内禀相不稳定性转化为有益的微观结构异质性，利用晶界韧性相实现材料增韧。该研究突破了传统单相稳定化的设计思路，为高熵碳化物及其他高熵陶瓷的微结构调控与损伤容限设计提供了新的研究方向。

五、作者及研究团队简介

杜斌（通讯作者），广州大学副教授，硕士生导师，广东省优青。2024-2026年，入选全球前2%顶尖科学家榜单(World’s Top 2% Scientists 2024-2026)，担任《Journal of Advanced Ceramics》编委。主要从事先驱体转化高熵陶瓷的设计、制备与性能调控研究。近年来主持国家自然科学基金面上/青年科学基金项目（C类）、广东省自然科学基等项目多项，在国际知名期刊上发表SCI论文50余篇，他引2000余次。

马梦冬（通讯作者），燕山大学副教授，博士/硕士生导师，河北省优青。主要从事亚稳碳材料及结构陶瓷材料的设计、制备与性能调控研究，重点关注高压合成、先进陶瓷及高熵陶瓷材料的组织结构与性能调控。近年来主持国家自然科学基金面上/青年科学基金项目（C类）、中国博士后科学基金面上项目等，入选中国科协“青年人才托举工程”计划、“澳门青年学者”计划及河北省燕赵黄金台聚才计划。以第一作者（含共同第一作者）及通讯作者发表学术论文30余篇，他引1800余次。

欧阳奕旻（第一作者），广州大学2024级材料工程专业硕士研究生。目前研究方向为高压制备碳化物高熵陶瓷微结构演变及力学性能研究。

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

1）Wang S, Ouyang Y, Guo L, et al. Boosting microwave attenuation in high-entropy carbide ceramics via magnetic Co incorporation and microstructural engineering. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(12): 9221177. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221177

2）Du B, Wang S, Guo L, et al. Design and fabrication of (Hf_0.25Zr_0.25Ta_0.25Nb_0.25)C–SiC ceramics with improved microwave absorbing properties via PDC route. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(1): 9220998. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220998

3）Du B, Cai M, Wang X, et al. Enhanced electromagnetic wave absorption property of binary ZnO/NiCo₂O₄ composites. Journal of Advanced Ceramics, 2021, 10(4): 832-842. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0476-z

《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、WJCI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SCI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；2026年2月发布的WJCI影响因子为15.350，位列“陶瓷学”26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。

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