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昆明理工大学陈琳/冯晶联合西安交通大学李广荣:非等摩尔设计高熵稀土钽酸盐，实现低热导率与低热膨胀系数的协同调控精选

已有 7134 次阅读 2026-8-11 10:39 |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:

Wu B, Li G, Chen L, et al. Non-equimolar compositional design engineered thermal expansion coefficients and conductivities of m´-RETaO₄ (RE = Sc, Y, Tm, Ho, Dy, Gd) high-entropy ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221351

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221351

ResearchGate：Non-equimolar compositional design engineered thermal expansion coefficients and conductivities of m´ -RETaO 4 (RE = Sc, Y, Tm, Ho, Dy, Gd) high-entropy ceramics

基金支持：国家自然科学基金(52502065、52562006)和金属材料强度国家重点实验室(20252705)。

一、导读

近日，昆明理工大学陈琳、冯晶研究团队联合西安交通大学李广荣团队发表了最新研究成果。稀土钽酸盐RETaO₄作为热防护材料已得到广泛研究，但其高热膨胀系数(TECs≥9.0×10^-6 K^-1)限制了其在陶瓷基复合材料(CMCs)环境障涂层(EBCs)中的应用。现有研究主要集中于等摩尔RETaO₄高熵陶瓷，非等摩尔设计对晶体结构和热物理性能的影响尚缺乏系统研究。研究团队设计并制备了一系列非等摩尔m'-RETaO₄高熵陶瓷，在维持单一m' 物相的前提下，调控 m'-RETaO₄的构型熵、多面体畸变与晶格应变。借助TEM与GPA等表征手段，直观观测到材料内部局域畸变与晶格应变特征。建立起非等摩尔组分、微观局域结构畸变与宏观热力学性能之间的对应关系。

非等摩尔m'-RETaO₄高熵陶瓷实现了低热导率与低热膨胀系数的协同优化，该系列材料在25-900 °C范围内的热导率低至1.52-2.68 W·m^-1·K^-1，在1500 °C下的热膨胀系数为低至6.2×10^-6 K^-1，缩小了RETaO₄与SiC基陶瓷基复合材料之间的热膨胀系数差异。研究结果表明，低热导率主要源于稀土位原子无序分布、晶格应变及多面体畸变协同作用。多面体畸变还可通过束缚原子非简谐振动，有效抑制材料热膨胀行为。该研究填补了高熵稀土钽酸盐陶瓷研究领域的空白，并表明稀土钽酸盐具有作为SiC基陶瓷基复合材料候选环境障涂层材料的潜力。

图1 论文摘要图：非等摩尔组分设计诱导高晶格应变实现热导率与热膨胀系数协同调控。

二、研究背景

碳化硅陶瓷基复合材料(SiC-CMCs)兼具低密度、高耐热性等突出优势，是航空发动机高温热端构件的核心候选材料。在高温服役工况下，SiC 基体需包覆环境障涂层以抵御高温水汽与氧化气氛侵蚀，同时削弱热循环带来的结构损伤。基于上述服役需求，高性能环境障涂层不仅需拥有优异高温稳定性，还应与 SiC 基体实现长期热、力学性能匹配。其中热导率与热膨胀系数是两项核心考核指标：涂层热膨胀系数需与 SiC 基体相近，以降低高低温循环下产生的界面热应力；同时材料热导率应尽量低，有效阻隔热量向基体传导，实现高效隔热防护。然而，现有多数氧化物陶瓷仅能单独优化单一热物理性能，难以实现热膨胀匹配与低热导率的协同兼顾。

稀土钽酸盐(RETaO₄)具有高熔点、低热导率、良好的高温稳定性和耐腐蚀性能，是一类具有应用潜力的环境障涂层候选材料。然而，RETaO₄与SiC基陶瓷基复合材料的热膨胀系数存在明显差异，限制了稀土钽酸盐作为环境障涂层材料的应用。如何缩小两者之间的热膨胀系数差异，是降低涂层热应力、提高服役稳定性的关键。

高熵设计是调控陶瓷微观结构与热物理性能的有效策略，但现有RETaO₄高熵陶瓷研究多采用等摩尔配比以获取高构型熵。事实上，高构型熵并不等同于优异的热学性能；同时等摩尔组分设计难以厘清各类稀土元素对晶体结构与热物理性能的独立作用，无法细致剖析离子尺寸差异诱发的局域晶格应变效应。相较于等摩尔体系，非等摩尔调控可通过改变稀土组元摩尔占比，精准调控材料构型混乱度与内部局域晶格畸变，然而该设计思路在RETaO₄高熵陶瓷领域仍缺乏系统性探究。

已有研究表明，A 位RE³⁺离子半径是决定RETaO₄晶体结构的关键因素。当体系加权平均RE³⁺离子半径低于 0.100-0.102 nm 临界区间时，更易生成 m'-RETaO₄物相。基于这一经验规律，本研究选取 Sc、Y、Tm、Ho、Dy、Gd 六种稀土元素，通过调控各组元摩尔占比，制备出六种组分差异化的非等摩尔 m'-RETaO₄高熵陶瓷。本研究从构型熵、离子半径差异、原子质量差异和电负性差异等多因素出发，利用XRD、SEM、EDS、TEM和GPA等测试与分析方法，研究不同稀土元素比例对晶体结构、多面体畸变和晶格应变的影响，并进一步分析这些结构变化与热膨胀系数及热导率之间的关系。

三、文章亮点

(1) 设计思路亮点：将非等摩尔组分设计用于m'-RETaO₄高熵陶瓷，填补了该体系的研究空白。现有RETaO₄高熵陶瓷主要采用等摩尔设计，不同稀土元素通常按照相同比例占据RE位点。本研究保持稀土元素种类不变，通过调节Sc、Y、Tm、Ho、Dy和Gd的摩尔比例设计六种组分，在相同制备条件下获得均为m'相结构的RETaO₄高熵陶瓷。这种设计使六种材料能够在相同组元种类和相同晶体结构下进行比较，从而分析稀土元素比例变化对[REO₈]多面体畸变、晶格应变及热物理性能的影响，并为通过调节稀土元素比例改善高熵稀土钽酸盐的热膨胀系数和热导率提供新的设计思路。

(2) 机理结果亮点：揭示非等摩尔m'-RETaO₄高熵陶瓷中[REO₈]多面体畸变和晶格应变对热膨胀系数及热导率的影响。研究结果表明，多面体畸变程度并不随构型熵或某一种无序因素单调变化。组分HE-1拥有最高构型熵，HE-6内部稀土离子半径、原子质量与电负性的差异最为显著。但 HE-3 的 [REO₈] 多面体畸变程度最强，其值高达 14.502‰。上述结果表明，非等摩尔 m'-RETaO₄高熵陶瓷的多面体畸变由构型熵与RE³⁺离子尺寸失配效应协同调控。TEM与GPA表征结果证实，HE-3试样内部存在显著的晶格局域畸变、稀土原子无序排布与晶格应变。多种半径各异的RE³⁺随机占据稀土格位，会改变 [REO₈] 多面体内部 RE-O键长与离子配位环境。A位原子无序、RE-O 键长不均、多面体畸变以及晶格应变均可强化声子散射效应，进而实现材料低热导率特性；同时，高强度的 [REO₈] 多面体畸变还可有效抑制材料高温热膨胀行为。

四、研究结果及结论

1. 研究团队以高纯稀土氧化物、五氧化二钽为原料，采用传统固相烧结工艺，在 1650 °C高温条件下，成功制备出六种新型非等摩尔 m'-RETaO₄高熵陶瓷。XRD测试结果表明，六种材料均稳定形成单一m' 晶体结构。在SEM/EDS观测下微观组织致密均匀，无明显第二相生成与元素偏析问题。这也保证了不同组分样品在统一晶体结构体系下，可开展结构与热物理性能的精准对比分析。

图2 非等摩尔 m'-RETaO₄ 高熵陶瓷的晶体结构表征及其与 m'-YTaO₄ 的结构对比：(a)XRD图谱与标准PDF卡片对比；(b,c)m'-YTaO₄ 与非等摩尔 m'-RETaO₄ 高熵陶瓷晶体结构对比。

2. 进一步的结构分析证明，非等摩尔组分设计可有效调控稀土位点配位环境，显著改变材料内部[REO₈] 多面体畸变程度。其中，HE-3 试样的多面体畸变效应最为显著，畸变量达14.502‰，RE-O键长分布区间为 2.065–2.777 Å，键长波动差异明显。结合TEM与GPA结果可知，HE-3 材料内部存在明显的原子无序排布、晶格局域畸变与晶格应变。这充分表明，稀土元素配比的差异化调控，能够有效改变材料微观原子排布与晶格结构特征。

图3 HE-3的原子结构与局域应变分析：(a-c)用于识别晶格应变的原子结构和GPA图像；(d-e)放大HAADF图像及对应原子强度；(f)不同RETaO₄ 陶瓷中RE-O键长、键强差异，以及[REO₈]、[TaO₆]和[TaO₄]多面体畸变。

3. 热膨胀性能测试结果显示，非等摩尔m'-RETaO₄高熵陶瓷在 200-1500 °C宽温域内未发生物相转变，具备优异的高温结构稳定性。其中，HE-3样品在 1500 °C高温环境下，热膨胀系数低至 6.2×10^-6 K^-1，大幅缩小了稀土钽酸盐陶瓷与 SiC 基复合材料的热膨胀性能差距，可有效缓解涂层与基体之间的热失配问题、降低界面热应力。

图4 非等摩尔 m'-RETaO₄ 高熵陶瓷的热膨胀系数随温度变化：(a)HE-1-HE-6与SiC、C/SiC和SiC_f/SiC CMCs对比；(b)HE-3、HE-5与其他RETaO₄ 陶瓷对比。

4. 在制备的系列样品中，HE-3 展现出最优的综合热学性能：其热导率在 25-900 °C区间内仅为 1.52-2.68 W・m^-1・K^-1，处于整体最低水平。极低的热导率可有效抑制热量向SiC基体传导。

图5 非等摩尔 RETaO₄ 高熵陶瓷的热输运性能：(a)25-900 °C热扩散率；(b)25-900 °C热导率；(c)HE-3、HE-6与其他RETaO₄ 陶瓷热导率对比；(d)HE-3与其他高熵陶瓷热导率对比。

综合各项测试性能可知，HE-3 同时兼具优异的高温隔热效果与和SiC基体高度适配的热膨胀系数，综合性能优势显著，是优秀的应用于SiC陶瓷基复合材料的环境障涂层候选材料。

五、作者及研究团队简介

吴冰岩(第一作者)，昆明理工大学材料学院硕士生。主要从事钽酸盐环境障涂层复合陶瓷性能优化，涂层制备和工艺优化等相关研究工作。

李广荣(通讯作者)，西安交通大学材料学院副教授。2017年博士毕业于西安交通大学并留校继续从事研究工作，2019年赴德国于利希研究中心进行博士后合作研究。主要从事高温防护涂层研究，重点面向高性能涂层结构设计、制备和维修等需求，主持国家自然科学青年基金、军委预研领域基金等课题。入选2019年陕西省科协青年人才托举计划，兼任《Journal of Advanced Ceramics》《航空材料》等期刊青年编委。

陈琳(通讯作者)，昆明理工大学高层次引进人才、特聘教授，教育部重点实验室及国防重点学科与技术研究中心副主任，材料加工工程系主任；主要进行超高温热防护涂层材料的研究。曾获中国建材联合会科技奖一等奖、中国稀土科技一等奖、中国发明协会一等奖、云南省教学成果奖二等奖等奖励。截止2026年7月在Prog Mater Sci、Adv Mater、Acta Mater、J Adv Ceram等期刊发表论文90余篇，引用3200余次，H因子30。

冯晶(通讯作者)，昆明理工大学教授、博导、材料科学与工程学院院长，高精尖涂层材料技术教育部重点实验室及云南省高校先进涂层材料设计与应用重点实验室主任，中央军委科技委“卓青”。曾获得中国青年五四奖章、强国青年科学家，中国产学研创新奖，中国稀土科技一等奖，俄罗斯科技合作最佳奖，中国建材科技自然科学一等奖，美国陶瓷学会全球最佳论文奖，中国优秀专利奖等奖励。在理论设计及高温相变机理科学方面取得了较大突破，相关研究成果已在Prog Mater Sci、Nat Commun、Acta Mater和Phys Rev B等期刊发表研究论文230余篇，被引用18000余次，H指数68。担任10份SCI检索杂志客座副主编/编委，获批国际/国家发明专利80余项。

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

1) Wang J, Chen L, Zhang L, et al. Structural evolution and failure mechanisms of APS tantalate high-entropy ceramic coatings in response to thermal cycle up to 1500 °C. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(4): 9221261. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221261

2) Tian J, Chen L, Chen X, et al. High-temperature heat treatment tailored crystals and microstructures of multicomponent rare-earth tantalates RETaO₄ nano powders. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(4): 9221271. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221271

3) Wang J, Chen L, Feng J. Multidimensional structural design of pioneer oxide ceramics with melting points above 3000 °C. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(1): 9221226. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221226

4) Wang J, Chen L, Li B, et al. Evolutions of mechanical and thermal properties of TmNbO₄/Tm₃NbO₇ composites as protective coating materials. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(11): 1771-1785. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220973

《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。