近日，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員褚衍輝團(tuán)隊通過多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功制備出兼具超強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度和高隔熱的高熵多孔硼化物陶瓷材料。同時，該材料還展現(xiàn)出了2000攝氏度高溫穩(wěn)定性。相關(guān)成果發(fā)表于《先進(jìn)材料》。
制備出的材料樣品。受訪者供圖
隨著新一代高超聲速飛行器飛行速度的不斷提升，對隔熱材料的力學(xué)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和耐溫性提出了更嚴(yán)苛的要求，兼具優(yōu)異力學(xué)強(qiáng)度及隔熱屬性的多孔陶瓷材料一直是科學(xué)家的追求目標(biāo)。然而，這兩種屬性在一定程度上相互制約，對于傳統(tǒng)的多孔陶瓷來說往往難以兼得。如果通過簡單降低多孔陶瓷的相對密度，可顯著提高材料的隔熱性能，但這往往會導(dǎo)致材料力學(xué)強(qiáng)度的大幅下降。同時，傳統(tǒng)多孔陶瓷材料耐溫普遍小于1500攝氏度，高溫服役過程中常面臨著體積收縮、力學(xué)性能衰減等問題，無法滿足日益嚴(yán)苛的服役需求。
針對上述問題，褚衍輝團(tuán)隊通過多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功制備出高熵多孔硼化物陶瓷材料。該材料的優(yōu)異性能源于“三大法寶”，即微觀尺度上構(gòu)筑的超細(xì)孔、納米尺度上強(qiáng)晶間界面結(jié)合，以及原子尺度上嚴(yán)重晶格畸變。
褚衍輝（右一）與團(tuán)隊在實驗室。受訪者供圖
論文共同通訊作者褚衍輝表示，在微米尺度上，團(tuán)隊通過超高溫快速合成技術(shù)在數(shù)十秒內(nèi)完成燒結(jié)，抑制晶粒生長，進(jìn)而在材料內(nèi)構(gòu)筑均勻分布的亞微米級超細(xì)孔隙；在納米尺度上，通過進(jìn)一步固溶反應(yīng)，建立晶粒之間強(qiáng)界面結(jié)合；在原子尺度上，通過引入9元陽離子嚴(yán)重晶格畸變，提高晶格內(nèi)部的應(yīng)力場和質(zhì)量場波動，提高硼化物的本征力學(xué)強(qiáng)度。
據(jù)他介紹，團(tuán)隊通過X 射線衍射和精修計算、高精度CT成像、高分辨透射電子顯微鏡、電鏡能譜、透射電鏡能譜等方式，證實了所制備的材料在結(jié)構(gòu)、元素均勻性上均有著優(yōu)異表現(xiàn)。
在對制備出的材料進(jìn)行力學(xué)性能測試時，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在50%氣孔率下，其壓縮強(qiáng)度為337 兆帕，顯著高于已報道的多孔陶瓷材料。在1500攝氏度高溫原位壓縮測試中，其力學(xué)強(qiáng)度保持率大于95%，達(dá)到332兆帕。特別是，材料在1800和2000攝氏度的高溫下由脆性斷裂行為轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s塑性變形行為，壓縮過程中伴隨著材料的致密化，最終在約49%應(yīng)變下強(qiáng)度達(dá)到了690 兆帕。相較于目前已報道的其他多孔陶瓷，該材料展現(xiàn)出了出色的高溫壓縮強(qiáng)度。
團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，所制備出的材料同時展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫隔熱性能和熱穩(wěn)定性。材料在50%氣孔率下，熱導(dǎo)率可低至0.76瓦/米·度?1。在進(jìn)行1000、1500、2000攝氏度高溫?zé)崽幚砗螅牧系捏w積尺寸幾乎未發(fā)生任何變化（2000攝氏度時收縮率僅為2.4%），力學(xué)強(qiáng)度無衰減，具有出色的高溫?zé)岱€(wěn)定性。
論文共同通訊作者、華南理工大學(xué)副教授莊磊表示，該高熵多孔陶瓷材料在航空航天、能源化工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
