论文介绍
这篇研究论文标题为“A novel high-entropy (Sm0.2Eu0.2Tb0.2Dy0.2Lu0.2)2Zr2O7 ceramic aerogel with ultralow thermal conductivity”，发表在期刊《Ceramics International》（Volume 47, 2021, Pages 29960–29968）上，在线发布时间为2021年7月18日。文章主要作者包括Debao Liu、Yiguang Wang、Feifei Zhou、Baosheng Xu和Bowen Lv，隶属于北京理工大学先进结构技术研究所。
研究背景
学科领域与研究背景
该研究属于陶瓷材料科学和高温绝热材料领域。高熵陶瓷（High-Entropy Ceramics, HECs）近年来成为材料科学研究的前沿方向。这种陶瓷基于混乱度高的多元素固溶体，具有优异的物理和化学性能，如低热导率、优异的机械性能、高温稳定性和耐化学腐蚀性等。
在高温环境下，绝热材料的热保护性能至关重要，特别是在航空航天领域的高超音速飞行器中，其表面温度可高达1300℃或更高。然而，传统的二氧化硅（SiO2）气凝胶虽然在常温下表现优异，但在温度达到650℃以上时会出现结构不稳定和性能下降的问题。因此，急需开发一种在高温环境下能够稳定存在，且具有优异隔热性能的新型材料。
研究目标
本文的研究目标是通过制备一种新型高熵稀土氧锆陶瓷气凝胶（HE-REZ ceramic aerogel），实现超低热导率和优异的高温绝热性能，探讨其作为高超音速飞行器高温绝热材料的潜力。
研究方法
研究工作分为多个步骤，涵盖从材料制备到性能表征的全面研究：
材料制备：
- 原料选择： 选用了五种稀土硝酸盐（Sm(NO3)3⋅6H2O、Eu(NO3)3⋅6H2O、Tb(NO3)3⋅6H2O、Dy(NO3)3⋅6H2O和Lu(NO3)3⋅6H2O）作为稀土原料，四乙酸锆（Zr(CH3COO)4）作为锆元素原料。牺牲模板采用热塑性酚醛树脂（RF）。
- 气凝胶制备： 材料合成为通过溶胶-凝胶模板（Sol-Gel Template）法完成，具体步骤如下：
- 将酚醛树脂溶解于乙醇中形成酚醛溶液；
- 分别加入锆酸盐和等摩尔量的五种稀土硝酸盐，并进行磁力搅拌混合；
- 将所得混合溶液放入高压釜中，在80℃下反应48小时后冷却，形成湿凝胶；
- 通过乙醇超临界干燥法去除溶剂，获得干燥的稀土-锆改性RF气凝胶。
- 高温焙烧： 气凝胶在900℃、1100℃和1300℃下热处理，分别得到不同颗粒尺寸的样品。
性能测试：
- 微观结构表征：
- 使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察样品的结构特性；
- 使用X射线衍射（XRD）表征晶体结构；
- 通过拉曼光谱分析样品的振动模式。
- 热学与机械性能测试：
- 测量材料的导热系数；
- 测试材料的抗压强度；
- 考察样品在高温条件下的绝热性能。
数据分析：
所有实验数据通过比较不同焙烧温度、颗粒尺度和气孔演变特性，研究梳理材料微结构对热学和机械性能的影响。
研究结果
热学表现
- 样品气凝胶在900℃焙烧后呈现出超低的室温导热系数（0.031 w/(m⋅K)），为目前所有研究的高熵陶瓷气凝胶中最低。随着焙烧温度升高，样品的导热系数有所上升，这归因于气孔体积的缩小和颗粒生长。
- 气凝胶的BET比表面积随着焙烧温度增加而降低，从443.26 m²/g（900℃）下降到80.37 m²/g（1300℃）。
结构分析
- SEM和TEM显示，气凝胶具有典型的3D多孔网络，颗粒尺寸在30至50纳米之间，孔隙尺寸多为30至40纳米。
- 经XRD证实，样品为单相缺陷萤石（Defective Fluorite）结构，且无杂相生成。拉曼光谱分析则表明高熵效应导致的氧空位分布无序化，降低了晶体结构的对称性。
机械性能
- 材料抗压强度随着焙烧温度升高而增强，由900℃焙烧样品的12.95 MPa提升至1300℃焙烧样品的35.8 MPa。这表明颗粒生长和气孔减少能够显著提高材料的机械性能。
高温绝热性能
在单面加热测试中，焙烧于900℃的样品表面温度上升缓慢且稳定，表现出优异的热屏蔽能力，大幅度降低了热流对材料内部的传递。
研究结论
本研究成功制备了一种新型高熵稀土氧锆陶瓷气凝胶，具有优异的高温绝热性能和机械性能。具体结论包括以下几点： 1. 所得气凝胶材料具有超低的导热系数，显示其在高温隔热领域的巨大潜力； 2. 材料的微观结构对热学和机械性能表现起到了关键作用，表明通过调控颗粒尺寸和孔隙结构，能够实现优化； 3. 研究提出了一种高效、简单且环境友好的高熵陶瓷气凝胶制备方法，为高温绝热材料的开发提供了重要参考。
研究亮点
- 创造性地结合了高熵陶瓷与气凝胶技术，引入一种新型轻量化高温绝热材料。
- 材料表现出极低的导热系数和优越的高温稳定性，是目前同类绝热材料的卓越改进。
- 提供了一种简化的制备流程，有望推动高熵陶瓷气凝胶的商业化应用。
此研究将为未来航空航天及高温工业领域的发展奠定坚实的材料基础，同时也拓展了高熵材料的应用方向。