1 引言

　　近年來，航空航天行業成為世界各國科技競爭焦點，對耐高溫、高強度等高性能材料需求增大，傳統材料因脆性高、化學穩定性差等無法滿足該領域應用。高熵材料憑借優異性能成為陶瓷領域研究熱點，逐漸作為航空航天領域熱結構部件的理想材料。

　　高熵陶瓷是一類新型陶瓷材料，通常由 5 種或 5 種以上金屬元素與一或兩種非金屬元素結合而成，與傳統陶瓷相比，具有更高熵值和更優異的性能，常用于高溫、高壓和腐蝕環境。目前高熵陶瓷研究尚處于起步階段，存在制備工藝復雜、成本高、穩定性有待考驗等問題，有必要深入研究以提高制備穩定性、降低成本并拓展應用范圍。

　　2 高熵陶瓷分類

　　高熵陶瓷根據化學成分可分為高熵氧化物陶瓷與高熵非氧化物陶瓷兩大類，各適用于不同領域。

　　2.1 高熵氧化物陶瓷

　　高熵氧化物陶瓷由多種金屬元素和氧元素組成，用于高溫、高壓和腐蝕性環境，如高溫熱障涂層、陶瓷刀具等。其采用多個成分組成高熵混合體，能提高材料性能。科研工作者不斷探究其單相結構，制備出多種不同結構的高熵氧化物陶瓷，賦予材料不同性能。

　　巖鹽結構：巖鹽結構是典型的面心立方離子晶體結構，陽離子和陰離子化學計量比為 1∶1，配位數均為 6。巖鹽結構的高熵氧化物主要是 (MgCoNiCuZn) O 體系，可通過多種方法制備，在多種性能方面表現優異，未來可作為介電材料和電池固態電解質。

　　螢石結構：螢石結構屬于立方晶系，原子分布呈面心立方結構，陽離子配位數為 8，陰離子配位數為 4。螢石結構的高熵氧化物大多是 3 - 7 個陽離子的單相鈰氧化物等，通常通過熱解噴霧法等方法制備，研究集中在其結構、光學、熱力學和力學性能方面。

　　鈣鈦礦結構：鈣鈦礦結構屬于立方晶系的三元化合物，結構通式是 ABO₃。鈣鈦礦結構的高熵氧化物是受歡迎的陶瓷材料，合成方法多樣，還研究了其介電、電學、磁學等性能。

　　尖晶石結構：尖晶石結構屬于立方晶系，結構通式為 AB₂O₄。尖晶石結構的高熵氧化物制備方式包括固相反應法等，具有多種優異性能，磁性能是研究熱點之一。

　　其他結構：具有方鐵錳礦結構、金紅石結構等其他結構的高熵氧化物陶瓷材料也得到研究，如合成出的立方鐵錳礦結構的 (Gd₀.₄Tb₀.₄Dy₀.₄Hf₀.₄Er₀.₄) O₃具有更好的相穩定性。

　　2.2 高熵非氧化物陶瓷

　　高熵非氧化物陶瓷由多種非氧化物元素組成，具有較高硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性能，適用于高溫、高壓、腐蝕性環境。高熵硼化物陶瓷、高熵碳化物陶瓷、高熵氮化物陶瓷等受到廣泛關注。

　　高熵硼化物陶瓷：高熵硼化物陶瓷由多種不同金屬元素的硼化物混合而成，研究集中在 ⅣB、ⅤB 以及 ⅥB 族元素上。其具有優異的力學和熱學性能，在多個領域受到關注。通過不同制備方法可得到不同性能的高熵硼化物陶瓷，還可通過添加第二相提高其斷裂韌性。

　　高熵碳化物陶瓷：高熵碳化物陶瓷是以過渡金屬碳化物為主的多組元碳化物，全部為巖鹽型結構。利用多主元高熵效應可提高材料性能，研究最多的是 (Ti₀.₂Zr₀.₂Hf₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂) C，其力學性能通過晶格畸變效應和遲滯擴散效應得到提高，不同成分選擇與配比對應不同材料性質。

　　3 高熵陶瓷制備

　　科研工作者研究出多種高熵陶瓷制備方法，應用較廣泛的有放電等離子燒結法、液相前驅體法、碳熱還原法等。

　　3.1 放電等離子燒結法

　　放電等離子燒結是一種先進的固結工藝，通過結合單軸壓力和強大的直流脈沖電流制造塊狀陶瓷材料，具有高效燒結的優勢。采用該方法制備的高熵過渡金屬硼化物陶瓷力學性能和熱穩定性顯著提高，但可能出現成分隨機分布、元素偏析等問題。

　　3.2 液相前驅體法

　　液相前驅體法通常將化學活性較高的化合物作為前驅體，通過一系列反應制備出均勻分散的聚合物溶液。采用該方法制備的高熵碳化物產物性能良好，各組分粒子均勻分布。

　　3.3 碳熱還原法

　　碳熱還原法是利用碳作為還原劑，將金屬氧化物或其他金屬化合物在高溫下反應得到金屬和優質產物的方法。該方法原料來源廣泛、成本低、操作簡單、可控性強，可通過對反應條件的控制實現對高熵陶瓷成分與結構的精確控制，適用于大規模生產。

　　4 高熵陶瓷性能

　　由于高熵陶瓷各組元差異，其性能具有較大不確定性，不同組元的高熵陶瓷具有不同性能。

　　4.1 高熵氧化物陶瓷性能

　　力學性能：高熵陶瓷因結構特殊具有較高彎曲強度與較好彈性性能。在致密化初期，材料的抗彎強度、彈性模量隨相對密度提高而增加，當合成溫度提升至 1225K 及以上時，陶瓷接近滿密度，但晶粒尺寸增大，強度下降。高溫下加工的高熵陶瓷力學性能可能由元素偏析引起的缺陷或晶格畸變控制。

　　熱學性能：高熵陶瓷材料通常具有優異的熱學性能，如低熱導率、耐高溫性能等。1175K 燒結 (MgCoNiCuZn) O 陶瓷的金屬元素分布隨機，無偏析現象，其熱導率顯著低于傳統熱障涂層材料，晶粒尺寸隨溫度變化較小，有潛力成為優異的熱障涂層材料。

　　4.2 高熵非氧化物陶瓷性能

　　力學性能

　　高熵硼化物陶瓷：高熵硼化物因其高強度、高硬度等特性成為高熵陶瓷發展的重要方向。研究多集中在硬度、強度等方面，通過不同制備方法可得到不同性能的高熵硼化物陶瓷，還可通過添加第二相提高其斷裂韌性。高熵硼化物陶瓷常見結構為六方晶系，這種結構使其具備較好的力學性能。

　　高熵碳化物陶瓷：高熵碳化物陶瓷材料結構和性能復雜，機械性能成為研究熱點。由于固溶增強效應，其硬度提高，彈性模量變化顯著。高熵碳化物陶瓷單組元材料的硬度高于傳統混合定律，蠕變速率較低。后續可通過調節胞內陽離子尺寸差來調控位錯分布，研究其力學性能。

　　熱學性能

　　高熵硼化物陶瓷：高熵硼化物陶瓷的熱學性能成為研究熱點，由于高熵效應與晶格畸變效應，其熱導率明顯降低，具有優異的隔熱性能，但會導致材料熱量分布不均，影響系統熱平衡和穩定性，這是其需要攻克的研究方向。

　　高熵碳化物陶瓷：目前對高熵碳化物陶瓷熱學性能的研究主要集中在耐高溫性能、抗熱震性能等方面。燒結溫度對其微觀結構、斷裂形式、晶粒尺寸和致密化程度影響較大，2075K 是引發高熵碳化物陶瓷晶粒長大的臨界溫度。

　　5 高熵陶瓷的應用前景

　　高熵陶瓷在能源與材料、航空航天等領域展現出巨大的應用潛力，尤其在航空航天領域已得到廣泛應用。

　　5.1 高熵陶瓷在能源與材料領域應用

　　高熵陶瓷在能源領域可用于高溫熱電材料、太陽能電池材料等方向。高熵氧化物陶瓷具有優異的機械、抗熱和電學性能，可用于改善高溫電池性能、促進能源轉化利用、提升鋰離子電池儲存容量和循環穩定性等，還可用于新能源發電技術領域，提高能量密度和循環穩定性。

　　5.2 高熵陶瓷在航空航天領域應用

　　隨著高超聲速科技的發展，飛行器需要面臨嚴酷熱環境，高熵陶瓷在航空航天領域的應用十分重要。

　　熱防護涂層材料：熱防護涂層是高熵陶瓷在航空航天領域的重要應用之一。高熵陶瓷因晶粒生長速度和熱導率較低、熱膨脹系數適配，有潛力作為未來的熱障涂層材料。高熵氧化物陶瓷由于具有優異的高溫穩定性和耐熱腐蝕性等，成為研發重點。

　　高溫結構部件：高熵陶瓷材料可應用于航空發動機、導向葉片、燃燒室膜等高溫結構和部件。如 X - 43A、X - 51A 高超聲速飛行器以及中國火星探測器 “天問一號” 都使用了高熵陶瓷材料，這些材料能在極高溫度下保持穩定性能，保障飛行器和探測器的可靠性和穩定性。

　　6 結論

　　依據高熵陶瓷的化學組分，對其分類、制備方法和性能進行闡述，得到以下主要結論：

　　相較于傳統陶瓷，高熵陶瓷材料種類更豐富，性能適配性更高，具備硬度高、熱傳導率低等特點。因其局部的化學隨機性與多晶性，擁有優異的熱學和力學性能。并且，通過對組元的調控，能夠制備出性能理想的特定高熵陶瓷材料。

　　現有的高熵陶瓷制備方法主要有放電等離子燒結法、液相前驅體法和碳熱還原法等。在原有單一工藝基礎上，發展出的復合工藝可突破現有方法的不足，有效縮短制備周期、降低成本、改善性能，是重要的發展方向。

　　高熵陶瓷具備高硬度、高強度、高耐磨等優異力學性能，在高溫嚴酷的極端環境下，抗氧化性及耐腐蝕性突出，有望在新一代航空航天熱防護等領域發揮關鍵作用。

徐世南;趙善舉;徐立友,河南科技大學車輛與交通工程學院,202406