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導讀
近日，華南理工大學褚衍輝、莊磊合作報道了一種多尺度結構設計和快速製備的9元陽離子多孔高熵二硼化物陶瓷，透過超快速高溫合成技術，可以實現卓越的機械承載能力和高熱絕緣效能。透過構建涉及微尺度超細孔、奈米尺度高質量介面以及原子尺度嚴重晶格畸變的多尺度結構，該具有約50%孔隙率的材料在室溫下展現出高達約337 MPa的超高強度，以及低至約0.76 W m-1 K-1的熱導率。更重要的是，它們表現出卓越的熱穩定性，在2000 °C退火後體積收縮僅為約2.4%。此外，它們在2000 °C時仍展現出高達約690 MPa的超高強度，顯示出塑性壓縮行為。這些優異的力學和熱絕緣效能為極端條件下可靠的熱絕緣提供了有吸引力的材料。文章連結DOI: 10.1002/adma.202311870。
(圖片來源：Adv. Mater.)
正文
圖 1展示了9PHEB樣品的製備過程和多尺度設計。首先，金屬氧化物和硼粉以等摩爾比例均勻混合(圖1a)，然後透過自制的超快速高溫合成(UHTS)裝置加熱至適度溫度，透過硼熱還原在幾秒鐘內形成複雜的硼化合物(圖1b)。在這個過程中，大量的B2O3氣體生成並逸出，導致化合物中留下豐富的孔隙。接下來，將第一步的產物研磨成粉末，破壞大孔隙同時保留細孔隙(圖1c)。最後，透過UHTS技術在高溫下燒結化合物，形成顆粒間的強連線，並在化合物中發生固溶反應，導致形成單一的高熵硼化物(HEB)相(圖1d)。透過這一系列步驟，實現了9PHEB樣品的多尺度結構設計，包括微尺度上的均勻超細孔隙(圖1d)、奈米尺度上顆粒間強連線和良好介面(圖1e)，以及原子尺度上的大晶格畸變和質量波動(圖1f)。這些特徵共同對9PHEB樣品的力學和熱效能產生顯著影響。下載化學加APP到你手機，更加方便，更多收穫。
圖1. 9PHEB樣品的製備和多尺度設計的示意圖
圖片來源：Adv. Mater.
圖2a表示透過UHTS裝置加熱溫度與時間的關係圖，9PHEB樣品的製備過程可以透過UHTS裝置精確控制，確保了樣品的孔隙率。作者透過XRD圖案瞭解樣品的晶體結構和相組成(圖2b-c)，可知樣品具有預期的晶體結構。圖2d展示了透過X射線顯微鏡重建的3D微觀結構,其中孔徑分佈高度均勻，孔徑範圍為0.8至21.2 μm，有利於熱傳導和機械效能(圖2e)。此外，樣品的表面形貌清晰(圖2f)。作者還透過晶粒的TEM影象和相應的FFT圖證明了樣品的晶粒結構清晰，晶格排列有序(圖2g)。圖2h的原子彈性應變對映表明樣品內部存在顯著的晶格畸變，這可能影響其力學效能。
圖2. 9PHEB樣品的製備和表徵
圖片來源：Adv. Mater.
圖 3展示了製備的9PHEB樣品在微米和奈米尺度上的元素分佈情況。SEM影象和相應的EDS對映(圖3a)顯示了樣品在微尺度上的均勻元素分佈，而晶粒的TEM影象和相應的EDS對映(圖3b)則進一步證實了在奈米尺度上沒有元素偏析，表明了良好的元素分佈。這些結果表明，9PHEB樣品的元素分佈均勻，這對於確保材料的一致性和效能的穩定性至關重要。
圖3. 製備的9PHEB樣品在微米和奈米尺度上的元素分佈
圖片來源：Adv. Mater.
9PHEB樣品的力學效能如圖4所示。不同孔隙率樣品的壓縮應力-應變曲線如圖4a所示，展示了樣品在不同孔隙率下的壓縮行為，說明了孔隙率對材料強度和變形能力的影響。作者根據Weibull統計對測試樣品的壓縮強度進行的分佈(圖4b)，說明了樣品的強度可靠性和一致性。圖4c表示了9PHEB樣品的強度與孔隙率的關係，並與報道的多孔陶瓷進行比較，9PHEB樣品在不同孔隙率下展現出了優異的壓縮強度，尤其是在約50%孔隙率時，其強度可達約337 MPa。圖4d-e的升高溫度下樣品的原位壓縮應力-應變曲線和應力-相對孔隙率揭示了樣品在高溫下仍保持較高強度。此外，作者還計算出9PHEB樣品的強度與測試溫度的關係，並與斜長石、堇青石、氧化鋁、碳化矽和Yb2SiO5等材料進行比較(圖4f)，表明它們在極端環境中具有可靠的機械效能。
圖4. 製備的9PHEB樣品的力學效能
圖片來源：Adv. Mater.
圖 5展示了製備的9PHEB樣品的熱效能。作者測量了從室溫到300 °C的熱導率σT、比熱容Cp和熱擴散係數α (圖5a)，這些資料表明了材料在不同溫度下的熱傳導特性，特別是熱導率隨溫度的升高而略有增加。圖5b是將9PHEB樣品的熱導率與壓縮強度與其他多孔陶瓷系統如SiC、莫來石、ZrB2-SiC、ZrC-SiC、HfC等進行比較，有助於評估其在熱管理方面的效能。作者還在1000、1500和2000 °C退火後測量樣品的體積收縮、平均晶粒尺寸和熱導率σT的變化，展示了9PHEB樣品在高溫處理後的結構穩定性和熱效能變化，包括體積收縮和晶粒尺寸的增長(圖5c)。圖5d是9PHEB樣品在1000、1500和2000 °C退火後樣品的壓縮應力-應變曲線，樣品在高溫退火後顯示出良好的熱穩定性和強度保持性，這表明它們在極端溫度環境下具有潛在的應用價值。
圖5. 製備的9PHEB樣品的熱效能
圖片來源：Adv. Mater.
總結
華南理工大學褚衍輝、莊磊團隊合作透過簡單而有效的超快速高溫合成技術成功製備了具有卓越機械和熱效能的多孔陶瓷9PHEBs。這些材料的高機械強度(~337 MPa)和低熱導率(~0.76 W m-1 K-1)的結合，賦予了9PHEB材料作為可靠熱絕緣材料的巨大潛力。這些卓越的機械和熱效能被認為是多尺度設計的結果：i) 微尺度的超細孔以及奈米尺度上建築塊之間的強連線和良好介面，得益於超快速加熱速率和超高溫的UHTS技術；ii) 大晶格畸變在原子尺度上引起的質量和應變場的嚴重波動，同時提高了晶格的剛度並降低了陶瓷的熱導率，作為聲子散射障礙。此外，合成的9PHEB在2000 °C下表現出卓越的尺寸和強度保持性，使其適用於極端條件。
華南理工大學報道：
https://news.scut.edu.cn/2024/0116/c44a48330/page.htm
文獻詳情：
Zihao Wen, Zhongyu Tang, Yiwen Liu, Lei Zhuang*, Hulei Yu, Yanhui Chu*. Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High-Entropy Ceramics up to 2000°C. Adv. Mater.2024. https://doi.org/10.1002/adma.202311870
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