类型b：学术报告

作者及机构
本文由王云平（大连交通大学材料科学与工程学院；大连大学）、刘世民（大连交通大学材料科学与工程学院，通讯作者）、董闯（大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，通讯作者）合作完成，发表于《Journal of Materials Engineering》（材料工程）2024年1月第52卷第1期（pp. 83-100）。

主题
本文题为《高熵陶瓷材料研究进展及挑战》（Research Progress and Challenge of High Entropy Ceramic Materials），是一篇系统性综述，全面梳理了高熵陶瓷（High Entropy Ceramics, HECs）的研究现状，涵盖其定义、高熵效应、成分设计理论、粉体与块体制备工艺、性能与应用，并展望了未来发展方向。

主要观点及论据

1. 高熵陶瓷的定义与热力学基础

高熵陶瓷源于高熵合金（High Entropy Alloys, HEAs）的设计理念，其核心特征是由五种及以上主元以近等摩尔比构成的固溶体，通过高构型熵（δSconf）稳定微观结构。本文指出，高熵的定义随研究进展不断扩展：
- 熵值判据：根据玻尔兹曼公式（δSconf = -RΣxi lnxi），当δSconf ≥1.5R（即组元数n≥4.48）时，可视为高熵材料。
- 结构复杂性：高熵陶瓷的熵贡献不仅来自阳离子亚晶格（如金属元素），还受阴离子亚晶格（如氧、碳空位）影响，例如非氧化物高熵碳化物（HECs）中n≥4即可形成高熵效应。

支持理论：
- 引用Yeh（2004）提出的高熵合金初始定义，以及Rost等（2015）首次合成的熵稳定氧化物（Mg0.2Co0.2Ni0.2Zn0.2Cu0.2）O，证明高熵概念可拓展至陶瓷体系。

2. 高熵陶瓷的五大效应

高熵陶瓷的性能优势源于其独特效应：
1. 高熵效应：高混合熵降低吉布斯自由能（ΔGmix=ΔHmix-TΔSmix），抑制相分离，促进单相固溶体形成。
2. 晶格畸变效应：多主元原子半径差异导致晶格扭曲，参数δ（尺寸差）量化畸变程度，例如（Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2）B2的δ=2.648%。
3. 迟滞扩散效应：畸变晶格增加原子扩散势垒，延缓动力学过程，提高高温稳定性。
4. “鸡尾酒”效应：多组元协同作用使性能非线性增强，如硬度、抗氧化性超越单一组元总和。
5. 热稳定性效应：高温下熵主导自由能，抑制相变，例如（Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2）C在极端环境下仍保持稳定。

实验证据：
- Wang等（2021）通过SPS烧结制备的（Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2）C展示出28.3 GPa的超高硬度，归因于晶格畸变与多组元强化。

3. 高熵陶瓷的成分设计理论

本文归纳了多种成分设计判据，以指导单相高熵陶瓷的合成：
- 价态与尺寸协同策略：
- Jia等（2022）提出烧绿石结构La2(Yb0.2Y0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2)2O7的设计需满足价态差δ(Vb)≤0.35，尺寸差δ(rb)≤8%。
- 团簇加连接原子模型（CPGA）：
- Liu等通过CPGA模型解析金红石结构高熵氧化物（如Ti8Sn8Nb8Ta8Me16O96），将复杂成分拆解为[Ti-O6]团簇单元，成功预测非等摩尔比体系的单相形成条件。
- 机器学习辅助设计：
- Wen等（2023）基于晶格常数差（δ）、混合焓（ΔHmix）等参数建立回归模型，预测(Mo0.25Nb0.25Ta0.25V0.25)(Al0.5Si0.5)的δ=1.893%，低于传统碳化物的4.59%，更易形成单相。

局限性：当前判据多针对氧化物体系，非氧化物（如硼化物、氮化物）的理论仍需完善。

4. 制备工艺的进展与挑战

粉体合成：
- 固相法：工艺简单但易引入杂质，如Zhang等（2023）制备的(La0.2Gd0.2Y0.2Yb0.2Er0.2)2Zr2O7热导率仅1.2 W·m⁻¹·K⁻¹，但球磨污染问题突出。
- 熔盐法：Chu等（2022）以NaF为介质，在1487 K下63秒合成19 nm的(Ta0.25Nb0.25Zr0.25Ti0.25)C，氧含量<2.98%。
- 前驱体转化法：Du等（2021）通过聚合物衍生路线在2200 ℃制备(Hf0.25Nb0.25Zr0.25Ti0.25)C，但残留0.51%氧杂质。

块体烧结：
- SPS技术：Qin等（2023）烧结的20TiB2-20ZrC-20NbB2-20HfC-20TaB2双相高熵陶瓷密度达99%，硬度呈线性可调。
- 振荡压力烧结（OPS）：李明亮等（2021）在1900 ℃、10 Hz振荡频率下获得(Zr0.2Ta0.2Nb0.2Hf0.2Mo0.2)B2，热导率仅12.2 W·m⁻¹·K⁻¹，为ZrB2的1/10。

关键问题：非氧化物陶瓷的烧结温度过高（>2000 ℃）、致密度不足（普遍<98%），需开发低温高效工艺。

5. 性能与应用潜力

• 热电性能：Lou等（2022）设计的Sr0.9La0.1(Zr0.25Sn0.25Ti0.25Hf0.25)O3塞贝克系数达393 μV/K，热导率1.89 W·m⁻¹·K⁻¹，优于传统SrTiO3基材料。
  
• 催化性能：钙钛矿结构高熵氧化物（如Ba32Ti8Sn8Nb4Ta4Fe8O96）对Cr污染物光降解效率提升，归因于多活性位点协同。
  
• 超高温应用：(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2的硬度（24 GPa）和抗氧化性使其适用于航空发动机热障涂层。
  

论文价值与意义

1. 理论贡献：系统总结了高熵陶瓷的五大效应与成分设计理论，为新材料开发提供框架。
   
2. 技术指导：对比多种制备工艺的优劣，指出OPS、RFSPS等新型烧结技术的潜力。
   
3. 应用前景：揭示高熵陶瓷在热电、催化、航空航天等领域的应用价值，尤其强调非氧化物体系的突破需求。
   

亮点：
- 首次将CPGA模型应用于高熵陶瓷设计，突破等摩尔比限制；
- 提出“晶格常数差δ”作为单相形成能力的关键参数，辅以机器学习量化预测；
- 指出学科交叉（如AI+3D打印）是未来制备工艺的创新方向。