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科學家制備出高熵多孔陶瓷材料,可耐2千度高溫
發布時間:2024.01.12        閱讀次數:

近日,華南理工大學材料科學與工程學院研究員褚衍輝團隊通過多尺度結構設計,成功制備出兼具超強力學強度和高隔熱的高熵多孔硼化物陶瓷材料。同時,該材料還展現出了2000攝氏度高溫穩定性。相關成果發表于《先進材料》。

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,對隔熱材料的力學強度、熱導率和耐溫性提出了更嚴苛的要求,兼具優異力學強度及隔熱屬性的多孔陶瓷材料一直是科學家的追求目標。然而,這兩種屬性在一定程度上相互制約,對于傳統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,但這往往會導致材料力學強度的大幅下降。同時,傳統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、力學性能衰減等問題,無法滿足日益嚴苛的服役需求。

針對上述問題,褚衍輝團隊通過多尺度結構設計,成功制備出高熵多孔硼化物陶瓷材料。該材料的優異性能源于“三大法寶”,即微觀尺度上構筑的超細孔、納米尺度上強晶間界面結合,以及原子尺度上嚴重晶格畸變。

褚衍輝(右一)與團隊在實驗室。受訪者供圖

論文共同通訊作者褚衍輝表示,在微米尺度上,團隊通過超高溫快速合成技術在數十秒內完成燒結,抑制晶粒生長,進而在材料內構筑均勻分布的亞微米級超細孔隙;在納米尺度上,通過進一步固溶反應,建立晶粒之間強界面結合;在原子尺度上,通過引入9元陽離子嚴重晶格畸變,提高晶格內部的應力場和質量場波動,提高硼化物的本征力學強度。

據他介紹,團隊通過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構、元素均勻性上均有著優異表現。

在對制備出的材料進行力學性能測試時,團隊發現在50%氣孔率下,其壓縮強度為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,其力學強度保持率大于95%,達到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變為壓縮塑性變形行為,壓縮過程中伴隨著材料的致密化,最終在約49%應變下強度達到了690 兆帕。相較于目前已報道的其他多孔陶瓷,該材料展現出了出色的高溫壓縮強度。

團隊還發現,所制備出的材料同時展現出優異的高溫隔熱性能和熱穩定性。材料在50%氣孔率下,熱導率可低至0.76瓦/米·度?1。在進行1000、1500、2000攝氏度高溫熱處理后,材料的體積尺寸幾乎未發生任何變化(2000攝氏度時收縮率僅為2.4%),力學強度無衰減,具有出色的高溫熱穩定性。

論文共同通訊作者、華南理工大學副教授莊磊表示,該高熵多孔陶瓷材料在航空航天、能源化工領域具有廣闊的應用前景。


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