高熵陶瓷結(jié)構(gòu)及種類的研究進(jìn)展

王曉東 劉可凡 高澤然 張柯

摘 要：2015年，相關(guān)研究人員成功開發(fā)出高熵陶瓷，由于其獨(dú)特的性能和潛在應(yīng)用價(jià)值而引起了廣泛的關(guān)注，此后關(guān)于高熵陶瓷的科學(xué)研究發(fā)展迅速。本文簡(jiǎn)要綜述了高熵陶瓷的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)高熵陶瓷組成成分的不同對(duì)其進(jìn)行分類和展望。

關(guān)鍵詞：高熵陶瓷;組成;結(jié)構(gòu);種類

在高熵陶瓷中，等摩爾濃度的五種或五種以上元素會(huì)產(chǎn)生最大摩爾構(gòu)型熵，另外陶瓷中還存在多種空位，使得構(gòu)型熵增加，降低其吉布斯自由能，這表明這些新型陶瓷熱力學(xué)性能優(yōu)異，在較高溫度下非常穩(wěn)定，具有良好的應(yīng)用前景。本文簡(jiǎn)要綜述了高熵陶瓷的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行分類，最后進(jìn)行總結(jié)和展望。

1.高熵陶瓷的結(jié)構(gòu)

高熵陶瓷一般由五種或五種以上金屬元素和一種非金屬元素組成，晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如面心立方結(jié)構(gòu)，體心立方結(jié)構(gòu)和六角密排結(jié)構(gòu)，高熵陶瓷中可加入不同元素，增強(qiáng)其特定性能，此外高熵陶瓷的內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)析出物，其內(nèi)部擴(kuò)散速度與相變速度是很緩慢的，并且各個(gè)原子隨機(jī)分布在點(diǎn)陣當(dāng)中，晶體內(nèi)部擁有更大的晶格畸變。

2.高熵陶瓷的種類

2.1氧化物高熵陶瓷：

根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，又可將氧化物高熵陶瓷分為巖鹽型，鈣鈦礦型，螢石型，尖晶石型等。

2.11巖鹽型氧化物高熵陶瓷：

2015年，相關(guān)研究人員將氧化鎂，氧化鈷，氧化鎳，氧化鋅，氧化銅在900℃下經(jīng)6h合成，成功制備出了第一種高熵陶瓷，即具有巖鹽結(jié)構(gòu)（Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2）O氧化物高熵陶瓷，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其陽(yáng)離子在原子尺度下均勻隨機(jī)分布，且該高熵陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)受到Cu的重大影響，導(dǎo)致其擁有較大的晶格畸變。

2.12鈣鈦礦型氧化物高熵陶瓷：

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可用ABO3表示，常見的鈣鈦礦型高熵陶瓷為復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，即A位或者B位由兩種或者兩種以上的離子占據(jù)，此時(shí)該陶瓷的構(gòu)型熵會(huì)變大，形成鈣鈦礦型高熵陶瓷。成浩然等[1]采用碳酸鋇，氧化鈰，氧化鉿等化學(xué)試劑，按照一定的化學(xué)反應(yīng)計(jì)量比，分別在1200℃和1350℃下煅燒12小時(shí)，通過(guò)固相反應(yīng)合成了Ba（Ce0.2Hf0.2Sn0.2Ti0.2Zr0.2）O3和Ba（Nb0.2Yb0.2Sn0.2Ti0.2Zr0.2）O3鈣鈦礦型氧化物高熵陶瓷。

2.13螢石型氧化物高熵陶瓷：

相關(guān)研究人員將二氧化鈰，二氧化鈦和氧化錫等材料按照一定的化學(xué)反應(yīng)計(jì)量比，在1350℃下經(jīng)12h合成（Ce0.2Zr0.2Hf0.2Sn0.2Ti0.2）O2螢石型氧化物高熵陶瓷，但該材料熱導(dǎo)率較低，可能產(chǎn)生局部燒結(jié)的情況。

2.2碳化物高熵陶瓷：

碳化物高熵陶瓷具有巖鹽結(jié)構(gòu)，Zhou等[2]在1950℃下制備了（Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Hf0.2）C 高熵陶瓷粉體，其結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)固溶體，其中金屬原子隨機(jī)置于金屬亞晶格中，該高熵陶瓷在抗氧化性方面表現(xiàn)出比其原始成分更好的性能，并且其力學(xué)和熱力學(xué)性能優(yōu)異。

2.3硼化物高熵陶瓷：

Gild[3]通過(guò)高能球磨和火花等離子體燒結(jié)方法制備了七種硼化物高熵陶瓷，如（Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2）B2和（Hf0.2Zr0.2Ta0.2Mo0.2Ti0.2）B2。其具有獨(dú)特的分層六方晶體結(jié)構(gòu)，擁有交替的剛性2D硼網(wǎng)和金屬陽(yáng)離子的高熵2D層，在金屬和硼之間具有混合的離子鍵和共價(jià)鍵。

2.4氮化物高熵陶瓷：

Jin[4]等人將機(jī)械化學(xué)合成法與軟尿素合成法相結(jié)合，在球磨過(guò)程中將五種過(guò)渡金屬氮化物與尿素混合，產(chǎn)生高度分散的前體，隨后在N2下熱解，大大增加了結(jié)構(gòu)熵，第一次成功制備了（V0.2Cr0.2Nb0.2Mo0.2Zr0.2）N氮化物高熵陶瓷，其顯示出金屬氮化物的晶體結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出較窄的中孔分布（2nm）。

2.5硅化物高熵陶瓷：

Gild[5]使用MoSi2，NbSi2，TaSi2，TiSi2，WSi2和ZrSi2的粉末（99%純度，≥45?m），通過(guò)高能球磨混合，在帶有氮化硅介質(zhì)的氮化硅罐中研磨，并通過(guò)火花等離子燒結(jié)方法得到（Mo0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2W0.2）Si2硅化物高熵陶瓷，該高熵陶瓷具有六角形C40晶體結(jié)構(gòu)。

3.總結(jié)與展望

目前，絕大多數(shù)高熵陶瓷為等原子比，由過(guò)渡金屬元素組成，且發(fā)生晶格畸變，其最常見的合成方式為固相反應(yīng)，組元之間的晶格常數(shù)失配度，相互固溶度是能否形成高熵陶瓷的關(guān)鍵因素。其熱力學(xué)穩(wěn)定性可用于預(yù)測(cè)其單相形成能力和相穩(wěn)定性，今后研究將主要集中在高熵陶瓷組元的設(shè)計(jì)和優(yōu)化配比，以及探究各元素固溶機(jī)制，發(fā)展高熵陶瓷設(shè)計(jì)理論及統(tǒng)一判據(jù)等方面。

參考文獻(xiàn)

[1] 成浩然.鈦酸鋇和高熵陶瓷的閃燒研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2019.

[2] ZHOU J Y，ZHANG J Y，ZHANG F，et al.High-entropy carbide：a novel class of multicomponent ceramics.Ceramics International，2018，44（17）：22014–22018.

[3] GILD J，ZHANG Y，HARRINGTON T，et al.High-entropy metal diborides：a new class of high-entropy materials and a new type of ultrahigh temperature ceramics.Scientific Reports，2016，6：37946.

[4] JIN T，SANG X，Raymond R，Richard T，et al.Mechanochemical-assisted synthesis of high-entropy metal nitride via a soft urea strategy.Advanced Materials，2018，30（23）：1707512.

[5] GILD J，BRAUN J，KAUFMANN K，et al.A high-entropy silicide：（Mo0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2W0.2）Si2.Journal of Materiomics，2019，5（3）：337–343.

作者簡(jiǎn)介：王曉東（2000-10），男，河北省滄州人;漢;本科生，研究方向：材料科學(xué)與工程。