日前，华南理工大学团队造出一种高熵多孔硼化物陶瓷材料（下称“多孔陶瓷”），在50%气孔率之下实现了337MPa的压缩强度以及0.76Wm的热导率。
　　同时，多孔陶瓷还展现出2000℃的高温稳定性，经历热处理之后收缩率仅为2.4%。在原位高温过程之中，其会出现塑性形变。随着多孔陶瓷的逐渐致密化，最终力学强度达到690MPa。
　　课题组通过多尺度的结构设计，即利用超快速高温合成的方法，构造了亚微米级的超细孔，进而构建了颗粒间的强界面，并引入9元金属阳离子严重晶格畸变，最终造出了这款多孔陶瓷。
　　它兼具优异的力学强度和隔热性能，有望用于新一代高超声速飞行器热端隔热部件。
　　相关论文的审稿人认为：“该工作是陶瓷领域的一项重要突破，实现了传统陶瓷难以达到的性能。”
　　据了解，该团队长期以来聚焦于高熵超高温陶瓷材料的研发。倘若这款多孔陶瓷能被用于高超声速飞行器热端隔热部件，便能有效避免高超声速飞行器表面高温环境对于内部零部件所造成的不良影响，大幅提高新一代飞行器的服役可靠性。
　　除此以外，多孔陶瓷还具备较好的力学强度和高温稳定性，有望在能源、化工、地质勘探、太空探索等领域得以应用，例如用于特种超高温炉保温部件、超高强高温压力容器、高温催化剂载体、太空探索装备等。
　　据了解，高超声速技术具有前瞻性、战略性以及带动性，代表着一个国家开发空间和利用空间的能力。　　随着飞行马赫数的不断提高，飞行器表面的气动加热也愈发显著，这对飞行器热端隔热材料提出了更高要求。
　　目前，现有的多孔隔热陶瓷已接近其应用极限，已无法满足新一代高超声速飞行器热端部件的服役要求。因此，开发新型多孔隔热陶瓷材料迫在眉睫。
　　要想打造新一代高超声速飞行器的热端隔热部件，需重点考虑以下三条性能指标：
　　其一，力学强度≥10MPa。优异的力学强度是将该材料作为热结构部件使用的前提条件，也是避免其遭受偶然大应力过载破坏的重要前提。
　　其二，隔热性能≤1Wm-1K-1。对于隔热材料来说，隔热性能即热导率是重中之重。
　　只有热导率处于较低的状态，才能保证绝大部分热量被隔热瓦材料隔绝，从而确保飞行器内部的重要零部件比如高精度金属部件的服役环境稳定性。
　　其三，高温热稳定性≥1500℃。由于热端隔热材料直接与大气接触，其服役温度普遍高于1500℃，极端情况下甚至可以高达2000℃，这会对隔热材料的热稳定性提出了极高要求。
　　对于以上三点来说，单一地实现其中某一点并非难事。但所谓“鱼和熊掌不可兼得”，对于此前的隔热材料开发来说，始终很难同时实现上述三种材料性能。
　　基于此，褚衍辉课题组开始了本次研究。他表示：“刚开始安排研究生涉足该课题时，学生甚至打起了退堂鼓。”
　　原因在于多孔陶瓷是一个古老课题，早在20世纪70年代便已有系统性的文献报道。
　　而针对多孔陶瓷结构力学强度和隔热性能的优化，相关文献更是数不胜数。如何做出自己的特色并实现性能突破？
　　这是褚衍辉一直在思考的问题。偶然一次他们在实验中发现，当采用超快速烧结设备制备致密的高熵硼化物陶瓷时，虽然能够获得一个完整的块体。
　　但是，上述材料明显不具备致密陶瓷该有的重量和光泽，因此显然是一个多孔材料。
　　出于科研的敏感性，褚衍辉让负责的学生测试了材料的力学性能，结果发现它居然拥有几十MPa的压缩强度，明显高于目前多孔陶瓷的压缩强度。
　　随后对其微观进行表征，发现它的孔隙结构十分的均匀。基于他们前期在高熵陶瓷基础理论方面的研究基础，因此便萌生了如下一个想法：
　　在保证材料结构均匀性的前提下，对该材料进行进一步多尺度结构设计。例如，假如能在原子尺度上进一步高熵化，以及在纳米尺度上实现强晶界结合，并在微米尺度上进一步降低孔隙结构尺寸，是否能让多孔陶瓷兼具高强高隔热特性？
　　虽然有了初步想法，但是实验的开展并不顺利。由于当时开发的快烧设备无法精确控制温度，很难实现多尺度微结构的调控。
　　为此，该团队针对设备进行了设计和改造，并采用有限元模拟分析了上述设备的温度场分布，使得设备能够精准控制温度。
　　最终，课题组借助自主研发的超快合成设备，成功实现了最初的设想。具体来说：
　　首先，他们利用该设备短时间超快速（几十秒内）可升至指定温度的特点，抑制了晶粒的异常长大，保留了颗粒间原本存在的亚微米级孔隙；
　　其次，在纳米尺度上，借助固溶反应在极短的时间内使得颗粒间形成了良好的界面结构，确保了压缩过程中应力的有效传载，避免了局部应力的产生；
　　再次，在原子尺度上他们设计了9元硼化物高熵陶瓷体系，引入了严重的晶格畸变，从而提高了陶瓷骨架的本征力学强度和刚性。
　　而得益于该材料亚微米级的超细孔以及严重晶格畸变所引起的声子散射，多孔陶瓷还展现出优异的隔热性能。在此之后，他们开始撰写论文。
　　“记得拿到论文初审意见时，编辑只给20天的修改时间，但其中一个审稿人提出了比较多的补充实验要求，他主要是关心材料的高温稳定性。”褚衍辉说。
　　为此，褚衍辉的两位学生20天内几乎无休地开展着实验，最终卡着时间节点提交了修改稿。
　　日前，相关论文以《高达2000℃的超高强度高隔热多孔高熵陶瓷》（Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High-Entropy Ceramics up to 2000℃）为题发表在Advanced Materials。
　　整体来看，本次工作中他们提出了一种多尺度结构设计思想，打造了一种兼具优异的力-热性能的新型高熵多孔陶瓷材料，不仅为开发兼具优异力学和隔热性能的多孔陶瓷指引了方向，也为高熵陶瓷这种新材料的发展指明了一个方向。
　　与目前报道的多孔陶瓷相比，尽管该材料在力学和高温稳定性方面有明显的优势，但是依然有很大的提升空间。
　　此外，与已有的多孔陶瓷相比，本次材料在隔热性和轻量化方面的优势并不是特别突出，后续他们将对其进行更加系统的探索。
　　一方面将进行高熵多组元成分设计和元素筛选，另一方面将进一步优化孔隙结构，力争让多孔陶瓷兼具轻质、超强、超隔热、高温稳定性良好等特点。 （麻省）