超高強度陶瓷材料可耐2000℃高溫

科技日報2024年1月15日報道，華南理工大學材料科學與工程學院褚衍輝研究團隊通過多尺度結構設計，成功制備了兼具超強力學強度和高隔熱性的高熵多孔硼化物陶瓷材料。同時，該材料還展現出了2 000 ℃高溫穩定性。2024年1月2日相關研究成果在線預發表于國際期刊《先進材料》。

隨著飛行速度的不斷提升，新一代高超聲速飛行器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是相互制約的。

“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大幅下降。同時，傳統多孔陶瓷材料耐溫性能普遍低于1 500 ℃，高溫服役過程中常面臨著體積收縮、力學性能衰減等問題。”褚衍輝介紹。

研究團隊制備出的這種高熵多孔硼化物陶瓷材料，其優異性能源于“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。

據介紹，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，團隊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，團隊通過引入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。

在力學性能測試中，該高熵多孔陶瓷材料展現出了出色的高溫壓縮強度、優異的高溫隔熱性能和熱穩定性，在航空航天、能源化工領域將有廣闊的應用前景。

（來源：科技日報）