可耐2000 °C！华南理工团队研发出具有超高强度和高热绝缘性能的多孔陶瓷材料！
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研究背景
在极端环境下（如深空、深地），材料不仅需要具备出色的热绝缘性能，还需要承受复杂的机械载荷。然而，传统的多孔陶瓷材料在提高热绝缘性能时常常会伴随机械强度的显著降低，这种性能的“互斥性”极大限制了它们在极端条件下的应用。多孔陶瓷因其重量轻、低导热性以及良好的化学惰性，广泛应用于电极、光子学和催化剂载体等领域，近年来也越来越多地应用于热绝缘材料。
一般来说，要提高多孔陶瓷的热绝缘能力，通常通过增加孔隙率来实现。然而，随着孔隙率的增加，材料的机械强度会显著下降，特别是在高温环境下，很多传统多孔陶瓷的压缩强度低于10 MPa，这使得它们难以胜任极端条件下的应用。因此，如何在保证良好热绝缘性能的同时，提升多孔陶瓷的机械强度，成为材料科学领域的一个重要课题。
通过观察自然界中的高强度结构，如甲壳类动物和珍珠母，研究者发现这些材料的微观结构呈现亚微米级别的特征。受此启发，科学家开始通过多尺度结构设计来优化人造多孔陶瓷的力学性能。进一步的研究表明，通过引入高质量的界面以及在原子尺度上引入的高熵效应，可以在材料中实现“强度-热绝缘”性能的协同优化。高熵材料由于其晶格畸变和固溶强化机制，已被证明具有显著的强度优势，而这些机制也有助于降低材料的热导率，使其在同时满足机械强度和热绝缘需求方面具有巨大潜力。
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研究内容
该研究针对传统多孔陶瓷材料的“强度-热绝缘性能互斥”的问题，首次报道了一种通过多尺度结构设计和超快速高温合成（UHTS）技术制备的9组分高熵二硼化物（9PHEB）多孔陶瓷。这种材料通过以下三种方式实现了机械强度与热绝缘性能的优化：
微观尺度上：通过控制孔隙的尺寸和分布，构建了主要在0.8到1.2 μm之间的超细孔隙结构。这种微观结构不仅提升了材料的机械强度，还显著降低了热导率，充分利用了所谓的“Knudsen效应”来抑制气体导热。
纳米尺度上：在材料的界面处，构建了无缺陷和无非晶相的高质量界面结构。这种界面能够在受力时快速传递应力，减少应力集中，显著增强材料的承载能力。此外，超快速加热技术有效抑制了晶粒的粗化，保持了材料的结构完整性。
原子尺度上：引入了9种不同的金属元素，这些元素在晶格中随机占据阳离子亚晶格的位置，导致了显著的晶格畸变和原子质量的无序分布。这种畸变和无序增强了材料的固溶强化效应，使材料具有优异的机械强度，并通过促进声子散射来降低材料的热导率。实验结果表明，9PHEB材料在孔隙率约为50%的情况下，具有高达337 MPa的压缩强度，导热系数仅为0.76 W m-1K-1。
此外，研究还展示了9PHEB材料在高温条件下的稳定性：即使在2000°C的环境下，材料仅表现出约2.4%的体积收缩，且压缩强度可达到690 MPa。材料的高温下韧性行为进一步表明了其在极端条件下的应用潜力。
通过优化制备工艺，材料展现出在热绝缘和机械承载性能上的双重优势，使其在航空航天、能源和深海探测等极端条件下的隔热结构材料应用中具有广泛前景。
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图文解析
图1 | 9PHEB样品的多尺度设计及制备示意图
图1a表示了金属氧化物和硼粉以等摩尔比混合的均匀原料。图1b使用超快速高温合成（UHTS）装置，通过硼热还原反应生成固溶化合物。图1c通过UHTS装置形成单相9PHEB样品。图1d-f表示了样品的多尺度设计，其中包括微观的超细孔（d）、纳米尺度的高质量界面（e）以及原子尺度的晶格畸变（f）。该图展示了9PHEB样品的两步制备过程，并通过微观、纳米尺度和原子尺度的多层次结构优化，增强了材料的机械和热性能。
图2 | 9PHEB样品的制备及表征
图2a显示了UHTS装置的加热温度与时间的关系，内插图为UHTS装置的示意图和孔隙率约为50%的样品照片。图2b-c是X射线衍射（XRD）和GSAS软件的精修图，展示了样品的晶相结构。图2d是X射线显微镜构建的样品3D重构图，显示了孔隙的均匀分布。图2e孔径分布图，显示大多数孔的大小集中在0.8-1.2 μm之间。图2f是扫描电子显微镜（SEM）图像，显示了样品中紧密烧结的晶粒。图2g是透射电子显微镜（TEM）图像，显示了晶界的清晰度，并通过快速傅里叶变换（FFT）图确认晶体结构。图2h是 [100]方向的原子弹性应变映射，展示了由于不同原子的掺入而产生的晶格畸变。该图全面展示了9PHEB样品从合成到结构表征的过程，确认了材料的微观孔隙结构、晶体结构和晶格畸变。
图3 | 9PHEB样品在微观和纳米尺度下的元素分布
图3a展示了扫描电子显微镜（SEM）图像及对应的能量散射光谱（EDS）图，显示了九种金属元素在样品中的均匀分布。图3b展示了透射电子显微镜（TEM）图像及EDS图，进一步展示了纳米尺度下的元素分布，没有发现元素分离现象。该图展示了9PHEB样品在微观和纳米尺度上的元素分布，确认了所有元素的均匀混合，这有助于保证材料的整体性能。
图4 | 9PHEB样品的机械性能
图4a展示了不同孔隙率样品的压缩应力-应变曲线，孔隙率降低时，压缩强度增加。图4b是9PHEB样品在45-55%孔隙率范围内的Weibull分布，说明了样品的机械可靠性。图4c将9PHEB样品的强度与其他多孔陶瓷材料进行比较，显示出其显著的负载承受能力。图4d展示了9PHEB样品在不同温度（室温至2000°C）下的原位压缩应力-应变曲线，说明了高温下的强度保持。图4e-f分别展示了样品在1800°C和2000°C时的相对孔隙率与应力的关系，以及与其他材料的高温强度比较。该图详细展示了9PHEB样品的力学性能，包括不同孔隙率和温度下的压缩强度，证明了其在极端环境下的负载能力和可靠性。
图5 | 9PHEB样品的热性能和高温稳定性
图5a展示了热导率、比热容和热扩散率随温度升高的变化情况，显示样品在室温到300°C的热性能。图5b将9PHEB材料的热导率和压缩强度与其他多孔陶瓷系统进行比较，展示其在热绝缘应用中的潜力。图5c展示了样品在1000°C、1500°C和2000°C退火后的体积收缩、晶粒尺寸和热导率变化。图5d表示样品在上述退火温度后的压缩应力-应变曲线。该图展示了9PHEB材料在高温条件下的热性能和机械稳定性，证明了其在高温下的热绝缘能力和结构稳定性。
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结论与展望
未来发展方向：
材料成分优化：未来可以进一步探索不同高熵材料组合，特别是在引入更多元素或调整元素比例的情况下，优化材料的机械和热性能。这可能会进一步提高材料在极端环境下的表现。
多功能化设计：除了热绝缘和机械强度，未来可以结合其他功能特性，如电导率、抗氧化性能等，开发多功能化材料。这将为该类材料在更多应用场景（如电池电极、航空航天设备等）中提供广泛的可能性。
大规模生产工艺改进：尽管超快速高温合成技术在实验室中表现出色，未来需要进一步研究如何将这种技术扩大到工业规模的生产中，同时保证材料的均匀性和稳定性。研究高效、节能的生产工艺将是实现该类材料广泛应用的关键。
应用拓展：未来可以进一步探索9PHEB材料在极端条件下的应用，如深空探测、深海环境和高温设备等。特别是在需要高强度和热隔离的结构中，9PHEB材料有望成为重要的候选材料。通过与其他领域的技术结合（如复合材料设计和自修复材料），这些材料的应用前景将更加广阔。
总之，该研究为多孔高熵陶瓷材料的发展提供了重要的参考，不仅揭示了多尺度设计在机械和热性能优化中的重要作用，还为材料在极端环境中的应用提供了潜在的解决方案。随着未来对材料设计、制造工艺和应用拓展的不断推进，这类材料将在多个前沿科技领域发挥重要作用.
选自微信公众号 超快高温技术