中國粉體網(wǎng)訊  人類社會的進步與發(fā)展對材料性能提出了越來越高的要求，這是激勵人們探索新的材料設計理論并開發(fā)新材料體系的原動力。近年來，性能優(yōu)異的新材料不斷涌現(xiàn)，并相繼成為研究熱點，由高熵合金發(fā)展而來的高熵陶瓷就是典型代表之一。

什么是高熵陶瓷？

熵是什么？

 熵是熱力學中表征物質(zhì)混亂程度的參量，其概念由克勞修斯(T.Clausius)于1854年提出。熵越低，系統(tǒng)越穩(wěn)定有序；熵越高，系統(tǒng)越無序混亂。

系統(tǒng)因其內(nèi)部構(gòu)型的無序所產(chǎn)生的熵叫作構(gòu)型熵，材料的構(gòu)型熵主要與其所含組分的數(shù)目以及各組分所占的摩爾分數(shù)有關(guān)，即材料的組成成分越多，各組分所占的摩爾數(shù)越接近，材料的構(gòu)型熵越大。高熵陶瓷是由多個組元（一般大于5）以等比例或近等比例相互固溶而形成的一類無機非金屬材料，故其結(jié)構(gòu)成無序狀態(tài)。

高熵陶瓷的性能及應用

到目前為止，高熵陶瓷的大家族中已經(jīng)涵蓋了碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、硫化物、簡單氧化物、稀土硅酸鹽、稀土磷酸鹽等，涉及的應用領(lǐng)域包括高溫隔熱、高溫防熱、抗高溫腐蝕和氧化、超硬加工與耐磨涂層、生物相容涂層、電磁吸收與屏蔽、催化與裂解、超級電容器、鋰離子電池、熱電轉(zhuǎn)化、氧離子傳感器等。

高熵陶瓷的制備方法

最早的高熵陶瓷是利用固相反應法制備的，首先通過球磨的方法將原料充分混合并發(fā)生部分固溶，然后將混合好的原料置于高溫下充分焙燒，以形成均勻且單一的高熵相。為了防止冷卻過程中，已經(jīng)形成的高熵相脫溶、分相或析出第二相，人們通常使用淬火等快速冷卻的方法制備。固相反應法具有反應原理簡單、產(chǎn)量高、設備要求低等優(yōu)勢，是目前最常見的制備高熵陶瓷的方法。但是固相反應法也存在明顯的不足，即反應溫度較高、反應時間久、產(chǎn)物比例難以準確控制、制備過程中極易引入雜質(zhì)等缺點。

為了解決這些問題，借鑒前驅(qū)體制備陶瓷的方法，人們開發(fā)出了一種由前驅(qū)體出發(fā)，在相對溫和的條件下合成高熵陶瓷的方法，即通過溶膠-凝膠法、反向共沉淀等方法，實現(xiàn)原料的原子級別混合，從而降低合成高熵材料所需要的能壘，隨后再在相對較低的溫度進行充分焙燒以去除多余的交聯(lián)劑、沉淀劑或溶劑，從而實現(xiàn)高熵陶瓷的低溫合成。具有反應條件溫和、產(chǎn)物粒徑可控、產(chǎn)物更加純凈等優(yōu)勢。但是前驅(qū)體熱解法存在產(chǎn)率較低、工藝復雜、設備要求高、產(chǎn)物顆粒再燒結(jié)困難等問題。

除此之外，近年來其他新型合成高熵陶瓷的方法如水熱法、電弧熔煉法、聲波輻射輔助法、反應閃光燒結(jié)法等也陸續(xù)出現(xiàn)，高熵陶瓷的制備方法正向著多元化，實用化發(fā)展。

高熵陶瓷的機遇與挑戰(zhàn)

自從2015年第一篇關(guān)于塊狀高熵氧化物的文章開始，近幾年高熵陶瓷的研究成果激增，至今有關(guān)高熵陶瓷論文多達400余篇，所涉及的體系也從原來的氧化物體系發(fā)展到現(xiàn)在的多種體系。

作為陶瓷界的新星，高熵陶瓷成分復雜且研究體系龐大，這給材料設計和制備帶來了巨大的挑戰(zhàn)。與此同時，它還具有組分調(diào)節(jié)空間巨大、熵效應獨特以及材料性能可調(diào)控等優(yōu)點，是材料領(lǐng)域中一個尚待開采的富礦。目前，高熵陶瓷的研究尚處于起步階段，大量工作聚焦于成分設計、單相形成能力、制備方法、基本性能等方面，還存在諸多問題亟待解決，如高熵合金的四個核心效應在高熵陶瓷中的普適性尚待驗證，更精準的成分設計理論和單相形成能力的統(tǒng)一判據(jù)有待建立，高熵陶瓷的組分-微結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系需要挖掘等。

參考來源：

[1]徐亮等.高熵陶瓷研究進展

[2]周延春等.高熵陶瓷：機遇與挑戰(zhàn)

[3]張國軍等.無序的新境界：高熵陶瓷

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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