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高熵陶瓷：进展、特性与应用综述

本文的第一作者为Corey Oses、Cormac Toher及Stefano Curtarolo，其所属机构为Duke University（杜克大学）的Department of Mechanical Engineering and Materials Science及Center for Autonomous Materials Design。本综述文章发表于2020年4月的《Nature Reviews | Materials》。

综述主题及背景

本文系统性地探讨了高熵陶瓷（High-Entropy Ceramics，简称HECs）的现状、理论和实验进展，以及其在多个领域的潜在应用。论文从材料发展的历史背景出发，阐明了陶瓷材料中的多组分无序系统如何通过配置熵（Configurational Entropy）实现稳定性提升。高熵材料最早在金属合金中被提出，其后逐渐扩展至氧化物、碳化物（Carbides）、氮化物（Nitrides）等陶瓷体系。这些材料由于其性能优异（如热稳定性、高硬度等），已在热防护、催化、储能等技术领域展现出巨大潜力。

论文主要观点

1. 高熵陶瓷的背景与概念

高熵陶瓷的提出基于一种创新的材料设计理念：通过引入多种元素（通常为等摩尔比），增加系统的配位熵，从而稳定一种单相体系。原始研究集中于金属合金和氮化薄膜，而2015年首次通过实验验证了氧化物体系中的熵稳定化。此后，高熵陶瓷涉及的化学种类不断扩展，包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物（Borides）等。

这些陶瓷凭借高熵效应展现出以下独特的特性： - 单相固溶体结构倾向，如岩盐结构（Rock-Salt Structures）。 - 迟滞的动力学过程：增强高温稳定性。 - 晶格畸变：提高硬度和弹性模量。 - 新颖或综合性能：耐腐蚀性、低热导率、高机械强度等。

2. 高熵陶瓷的机理及其理论探索

论文通过理论分析和模拟揭示了高熵稳定性背后的机制。 - 机理阐释：高熵陶瓷的晶格畸变通过引入多种具有不同尺寸和化学性质的元素，使得体系的总自由能降低，有助于单相物质的形成。例如，2015年的开拓性研究表明，岩盐氧化物（例如(MgCoNiCuZn)O）的形成依赖于高温下的熵驱动晶相转变。 - 配置熵的定量计算：基于分子动力学模拟和专用算法如特定随机结构（Special Quasirandom Structures，SQS），预测多元体系中熵效应对稳定性的影响。 - 金属阳离子与阴离子的独立分布：增加了更多的配置无序性，使复合型材料的单相稳定性得以增强。

3. 高熵陶瓷的分类及不同体系的性能

主要研究了氧化物、氮化物、碳化物、硼化物及硅化物（Silicides）的设计与性能： - 单相氧化物：如(MgCoNiCuZn)O研究，呈现出岩盐结构，结合磁性、热导率、介电常数等新兴性质。 - 碳化物和氮化物：具有非常高的硬度（如(HfNbTaTiZr)C的硬度超过40 GPa）及耐高温的化学稳定性。 - 硼化物和硅化物：以高熵硼化物为代表，展示出优异的抗氧化性以及极高的熔点，是极端环境陶瓷应用的候选材料。

论文列举了针对不同陶瓷体系的具体实验结果和支持数据。例如，高熵碳化物在实验中表现出远高于混合物规则预测的硬度值，表明固溶体强化和滑移面的变化是影响机械性能的重要因素。

4. 应用领域与技术意义

本文详细讨论了高熵陶瓷在以下领域的应用潜力： 1. 热防护和环境保护： - 通过具有低热导率和高刚度比的属性，高熵陶瓷可作为热/环境屏障涂层（Thermal and Environmental Barrier Coatings）。 - 如(HfZrCe)O₂基系统，其表现出的导热系数远低于铝酸锆标准涂层。

1. 储能材料：

   • 在锂离子电池中的应用：高熵氧化物被用于负极，展现了良好的储锂能力和循环稳定性。
   • 其他储能系统如锂-硫电池中担任功能催化剂或硫极稳定剂。

2. 催化：

   • 高熵氧化物和氮化物材料被广泛应用于一氧化碳氧化、二氧化碳加氢等重要反应中，表现出高活性和良好的循环稳定性。

3. 超硬涂层：

   • 高熵氮化物、碳化物涂层凭借极高的硬度值作为抗磨损和抗腐蚀的表面覆盖材料。

4. 电子与热电材料：

   • 高熵材料展现出较低的热导率以及特殊的电学性能，如在(MgCoNiCuZn)O中观察到的高介电常数效应。

5. 展望与价值

本文认为高熵陶瓷在科学研究和实际应用中都具有跨领域的价值： 1. 科学意义： - 高熵陶瓷揭示了配置熵在材料性能调控中的重要作用，同时扩展了传统陶瓷领域的边界。 - 多组分无序系统的研究提供了新的理论框架和计算方法，为材料预测和发现提供了可能。

1. 技术价值：

   • 高熵陶瓷具有在极端环境（如高温、高氧化性）中工作的优异潜力，可服务于航空航天、高能电池及催化等领域。

2. 新挑战与机遇：

   • 合理论证与实验制备仍需要交互优化。计算模拟尤其在熵计算、动力学机制探索等方面有进一步扩展空间。
   • 随着机器学习和人工智能技术的普及，材料的高通量发现和定制化设计将进一步加速。

结论

总体而言，本文系统性总结了高熵陶瓷的理论研究、实验进展及其应用潜力，并指出其在未来材料设计的重要地位。这种材料通过熵效应实现了在极限环境下的稳定性和多功能性质，开辟了新一代陶瓷材料的研究方向。