中國粉體網(wǎng)訊 據(jù)華南理工大學(xué)消息，近日，該校材料科學(xué)與工程學(xué)院褚衍輝研究員課題組在高溫的抗氧化高熵陶瓷材料領(lǐng)域取得重大突破！
課題組通過高熵多組元成分設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合搭建的激光氧化測試平臺(tái)，成功開發(fā)可耐3600℃高溫的抗氧化高熵碳化物(Hf，Ta，Zr，W)C材料。該新型超高溫陶瓷材料在航空航天、新能源等需耐受極端高溫的領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，突破了相關(guān)領(lǐng)域的研究瓶頸。
相關(guān)研究成果以“Exceptional Oxidation Resistance of High-Entropy Carbides up to 3600℃”為題，發(fā)表于Advanced Materials上。論文通訊作者為華南理工大學(xué)莊磊副教授、褚衍輝研究員；第一作者為華南理工大學(xué)博士研究生文子豪、劉譯文。該研究受到了審稿人的高度評(píng)價(jià)，一致認(rèn)為是超高溫材料領(lǐng)域的重大突破。
飛行器面臨日益嚴(yán)峻的“烤驗(yàn)”
當(dāng)前，超高聲速飛行器、往返式軌道飛行器等先進(jìn)裝備不斷發(fā)展，隨著其向著高速、高推力、高空的方向發(fā)展，其對(duì)表面材料在極端條件下的耐高溫性和抗氧化性要求也越來越高。
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飛行器進(jìn)入大氣層時(shí)面臨著熱流密度高、駐點(diǎn)壓力大和氣流沖刷速度快等極端環(huán)境，同時(shí)面臨著與氧氣、水蒸氣和二氧化碳反應(yīng)而產(chǎn)生的化學(xué)燒蝕。在飛行器飛出和飛入大氣層時(shí)，其頭錐和機(jī)翼周圍的空氣會(huì)受到劇烈壓縮而與飛行器表面產(chǎn)生較大的摩擦，導(dǎo)致其表面受氣流流動(dòng)加熱。飛行器表面除了在飛行過程中受氣動(dòng)加熱外，還會(huì)在飛行過程中受到太陽輻射、環(huán)境輻射等的影響，使飛行器的表面溫度不斷升高，這一變化會(huì)嚴(yán)重影響飛行器的服役狀況。
這迫切需要研發(fā)具有卓越耐高溫性能的先進(jìn)材料。
目前有望在1800℃以上溫度使用的材料一般有高溫合金材料、超高溫陶瓷、Cf/SiC復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料等。現(xiàn)有的高溫合金材料密度大、成本高，抗氧化性能差；Cf/SiC復(fù)合材料基體活性氧化長時(shí)間使用不能超過1650℃；C/C復(fù)合材料雖然具有輕質(zhì)的特點(diǎn)，但無保護(hù)層時(shí)超過500℃即開始急劇氧化。
相比其它材料，超高溫陶瓷材料（UHTCs）以其優(yōu)異的綜合性能有望成為新一代高溫?zé)岱雷o(hù)材料，是目前高溫?zé)岱雷o(hù)材料的研究前沿。
課題組設(shè)計(jì)開發(fā)出3600°C抗氧化高熵碳化物陶瓷
盡管超高溫陶瓷具有良好的高溫?zé)岱�(wěn)定性、抗氧化性和抗酸堿腐蝕性，可以在苛刻環(huán)境下服役，但是，大部分超高溫陶瓷材料，如過渡金屬硼化物和過渡金屬碳化物等超高溫陶瓷具有良好的導(dǎo)電性，它們的吸波性能并不理想。且其抗氧化溫度始終未能突破3000℃，嚴(yán)重制約了新一代先進(jìn)空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)。
褚衍輝研究員
褚衍輝研究員在接受中國粉體網(wǎng)專訪時(shí)談到，“與傳統(tǒng)的超高溫陶瓷相比，高熵超高溫陶瓷具有高的硬度和強(qiáng)度，低的熱導(dǎo)率，寬的電磁吸波性，優(yōu)異的抗氧化、抗燒蝕、抗輻照性以及可調(diào)的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)電性等�！�因此，高熵陶瓷的興起為超高溫耐氧化材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。
褚衍輝研究員課題組首先自主搭建了超高溫激光氧化測試平臺(tái)。隨后，以Hf、Ta、Zr元素為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了不同組分的高熵碳化物陶瓷，并測試了在2400-3000℃下的抗氧化性能。結(jié)果表明(Hf，Ta，Zr，W)C材料在全溫域下具有最低的氧化深度，其氧化動(dòng)力學(xué)在2400-3000℃溫度段內(nèi)均遵循拋物線規(guī)律，證明其具有優(yōu)異的寬溫域抗氧化性能。
(Hf， Ta， Zr， W)C高熵碳化物氧化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征和3600℃抗氧化性能
該材料的超高溫抗氧化性能主要得益于生成的具有超高熔點(diǎn)的鎢合金。相比其他元素，鎢元素的表面氧原子吸附能最高，導(dǎo)致氧化難度最大，而除鎢以外的其余元素則會(huì)優(yōu)先氧化，并包裹于鎢合金表面，進(jìn)一步阻礙鎢合金的氧化。在此原理基礎(chǔ)上，鎢合金彌散分布于氧化物層，可作為高熔點(diǎn)骨架，提高氧化物黏度，進(jìn)而有效降低氧化物的高溫?fù)]發(fā)，阻礙氧氣向內(nèi)部基體滲透。
課題組使用激光考核平臺(tái)進(jìn)一步測試了該材料在更高溫度下的氧化性能，驗(yàn)證了其可在最高3600℃下展現(xiàn)出色的抗氧化性能，顯著優(yōu)于已報(bào)道的其他超高溫材料。
據(jù)褚衍輝研究員介紹，其所在團(tuán)隊(duì)在國際上較早地開展了高熵超高溫陶瓷材料研究，開發(fā)出系列高熵超高溫陶瓷材料，建立了精準(zhǔn)的相形成能力判據(jù)，構(gòu)建了可遷移的機(jī)器學(xué)習(xí)勢函數(shù)，有力推動(dòng)了分子動(dòng)力學(xué)模擬方法在該領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料力-熱性能的精準(zhǔn)預(yù)測；發(fā)明了多種合成高熵超高溫陶瓷粉體的方法，制備出系列高品質(zhì)粉體，實(shí)現(xiàn)了公斤級(jí)批量化生產(chǎn)，產(chǎn)品已供應(yīng)給多所院校；揭示了高熵超高溫陶瓷晶格畸變與力-熱-電-磁性能之間的關(guān)聯(lián)機(jī)理，開發(fā)出兼具高強(qiáng)高韌特性的仿生高熵碳化物全陶瓷材料以及耐2000°C超高強(qiáng)高隔熱多孔高熵硼化物陶瓷材料，研制出寬頻吸波高熵超高溫陶瓷材料。
此次，該團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)可耐3600℃高溫的抗氧化高熵碳化物意味著我國在超高溫材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一次重大飛躍。
信息來源：華南理工大學(xué)、中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)/山川）
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