研究报告：
本文为一篇科学研究的实验报告，记录了由Feiyan Cai及其研究团队完成的关于Cf/(Ti₀.₂Zr₀.₂Hf₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)C-SiC高熵陶瓷基复合材料研究的最新进展。该研究发表于2022年7月31日的《Composites Part B》期刊上，编号为243 (2022) 110177。研究由中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室、结构陶瓷与复合材料工程中心以及中国科学院大学共同完成，研究核心围绕高熵超高温陶瓷基复合材料在极端高温烧蚀条件下的行为和机理展开。
超高温陶瓷（Ultra-High Temperature Ceramics, UHTCs）因其低密度、优异的抗氧化性能及耐烧蚀性能，被广泛关注。这些材料能在高温环境中生成高熔点氧化物（如Ta₂O₅、ZrO₂和HfO₂），通过与SiC生成的SiO₂连续保护层共同形成稳定的抗烧蚀屏障，得以保护复合材料的内部。然而，SiO₂玻璃态熔体的快速挥发、固体氧化物（如ZrO₂、HfO₂）的相变及粗化等因素会破坏保护层的稳定性和完整性，从而限制其在更极端环境下的应用。因此，如何协调玻璃熔体与固体氧化物的稳定性以提高耐烧蚀性成为研究核心。此外，高熵陶瓷（High-Entropy Ceramics, HECs）因其高熔点、低导热性、高硬度及杰出的抗氧化性能备受研究者关注。然而，关于高熵陶瓷及复合材料的烧蚀机制尚未深入揭示。
本研究采用空气等离子体火焰模拟超高速飞行器面临的现实高温烧蚀环境，系统研究了一种高熵超高温复合材料——Cf/(Ti₀.₂Zr₀.₂Hf₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)C-SiC的烧蚀行为及机理，旨在为新型抗烧蚀材料设计提供理论依据。
研究通过前驱体浸渍与热解法（Precursor Infiltration and Pyrolysis, PIP）制备了Cf/(Ti₀.₂Zr₀.₂Hf₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)C-SiC复合材料： 1. 使用碳纤维（T700, 12k）针刺预制体，纤维体积分数约为28%。 2. 采用化学气相沉积（Chemical Vapor Infiltration, CVI）形成PYC/SiC界面层。 3. 用均匀分布Ti、Zr、Hf、Nb、Ta的高熵陶瓷前驱体浸渍样品，并经历多次热处理和热解形成(Ti₀.₂Zr₀.₂Hf₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)C。 4. 最后通过多次PIP引入SiC至基体。
使用空气等离子体火焰装置模拟超高温环境，对尺寸约为60×35×6 mm的样品进行烧蚀实验： 1. 设置火焰热通量为4 MW/m²及5 MW/m²，分别对应2000℃和2430℃的烧蚀表面温度。 2. 通过光学显微镜、XRD、SEM和TEM等设备对烧蚀中心及过渡区的材料微观结构与相变进行详细分析。 3. 计算线性烧蚀率（Linear Ablation Rate, LAR）和质量烧蚀率（Mass Ablation Rate, MAR）。
烧蚀中心温度最高，生成了稳定、致密的多相氧化物保护层，保护层形成均匀分布的高熵氧化物球（(TiZrHfNbTa)Ox）。
在过渡区和边缘，伴随温度下降及冷却速率的变化，形成了多相氧化物保护层，以(Hf₀.₅Zr₀.₅O₂)’骨架为主，纳米晶(TiNbTaO₇-y)’为次。氧化物流动和析出的显著变化增强了保护层的稳定性和自愈功能。
将实验结果与多个文献中的其他超高温陶瓷复合材料进行对比（如ZrC、TiC及ZrB₂基材料），表明Cf/(Ti₀.₂Zr₀.₂Hf₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)C-SiC复合材料在更极端烧蚀条件下依然保持了卓越性能。
该复合材料的抗烧蚀性能来源于： 1. 高熵陶瓷的“熵稳定效应”，在高温下生成高稳定性、高混合熵的高熵氧化物。 2. 晶体析出过程中的显著增粘现象提高了SiO₂玻璃相的稳定性和抗机械冲刷性能。
研究扩展了高熵陶瓷在极端高温热防护系统（TPS）中的应用可能性。这种高熵陶瓷复合材料适合更长周期的循环烧蚀应用，为航空航天工程材料设计提供新的方向。
总结来看，本研究为高熵超高温陶瓷复合材料的进一步开发提供了理论依据，并为下一代热防护材料研发奠定了基础。