華南理工大學材料科學與工程學院褚衍輝團隊通過多尺度結構設計，成功製備了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。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。

　據悉，相關研究結果以「Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High-Entropy Ceramics up to 2000℃」為題，發表在材料領域的國際頂尖期刊Advanced materials（《先進材料》）上。華南理工大學莊磊副教授和褚衍輝研究員為共同通訊作者，博士研究生文子豪和碩士研究生唐忠宇為共同第一作者。華南理工大學為唯一通訊單位。

論文網站截圖

　兼具優異力學強度及隔熱屬性的多孔陶瓷材料

　隨着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，對於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於1500攝氏度，高溫服役過程中常面臨着體積收縮、力學性能衰減等問題，無法滿足日益嚴苛的服役需求。

　據華南理工大學材料科學與工程學院褚衍輝團隊介紹，此次成功製備的高熵多孔硼化物陶瓷材料的優異性能源於「三大法寶」，即微觀尺度上構築的超細孔、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。

製備出的材料樣品

　首先，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，進而在材料內構築均勻分布的亞微米級超細孔隙。其次，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。第三，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，提高硼化物的本徵力學強度。

　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，證實了所製備的材料在結構、元素均勻性上均有着優異表現。

　在對製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，顯著高於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於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，壓縮過程中伴隨着材料的緻密化，最終在約49%應變下強度達到了690 兆帕。相較於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，所製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攝氏度高溫熱處理後，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。

　華南理工大學材料科學與工程學科是國家「雙一流」建設學科，擁有一支由5位院士領銜的教師團隊，建有包括國家重點實驗室、國家工程技術研究中心在內的7個國家級教學科研機構和27個省部級科研機構，支撐高水平科研及成果轉化工作的開展。近年來在有機發光材料與器件、有機光伏材料與器件、稀土摻雜氧化物TFT技術、前沿彈性體、海洋防污材料、水泥材料、金屬儲氫材料、生物醫藥材料、聚集誘導發光、半導體材料、高熵陶瓷材料的研究與應用上取得了大量原創成果。（記者 黃裕勇、通訊員 華軒）

   頂圖：褚衍輝（右1）與團隊在實驗室