这篇学术研究文章由Ana C. Feltrin、Daniel Hedman 和 Farid Akhtar 撰写，分别隶属于Luleå University of Technology（瑞典）以及Institute for Basic Science（韩国Ulsan）。文章发表于《Journal of Advanced Ceramics》期刊（2024年第13卷第8期，页码1268-1281），接受时间为2024年6月28日，并可通过https://doi.org/10.26599/jac.2024.9220935获得。
本研究属于材料科学领域，主要研究熵稳定高温陶瓷（high-entropy ultrahigh-temperature ceramics, HE-UHTCs）作为涂层的热物理性能与高温耐烧蚀性能。熵稳定多元化超高温陶瓷因其优异的机械性能、较低的热导率、以及氧化和烧蚀抗性，近年来在极端环境应用中备受关注，例如航天推进系统、再入飞行器、发动机以及高温炉元件等场景。然而，碳基材料在高于500°C的空气环境中易氧化，因此需要耐热抗氧化涂层来维持其结构完整性。高熵陶瓷的多主元设计通过配置熵提高材料的性能，将多个阳离子均置于同一亚晶格上，形成新的陶瓷品类，机械与化学稳定性显著提升。本研究旨在通过火花等离子烧结（spark plasma sintering, SPS）制备(Ti₀.₂₅V₀.₂₅Zr₀.₂₅Hf₀.₂₅)B₂涂层，进一步耦合分子动力学模拟、机遇学习力场、有限元热应力分析，深入探讨其高温烧蚀行为。
研究团队选用TiB₂、VB₂、ZrB₂ 和 HfB₂金属二硼化物粉末（粒径从1到10 µm不等，纯度超过98%），按照等原子比例混合后进行干磨3小时。然后，将碳基测试基体清洁并抛光至镜面水平后，用石墨模具进行SPS烧结，烧结温度从室温逐渐提高至2000℃，并施加50 MPa压力，保温30分钟后冷却至600℃。碳基涂层的最终厚度约为1000 µm，并对其表面进行进一步的抛光，以进行实验表征。
实验通过氧乙炔火焰模拟极端高温烧蚀环境，测试涂层在2200℃下经受30秒（HEB-30）与60秒（HEB-60）的烧蚀性能表现。实验中通过红外测温仪记录涂层表面温度，分析完成后测量涂层的厚度与质量变化。此外，通过分子动力学（Molecular Dynamics, MD，与机器学习力场结合）模拟涂层的热物性，包括热导率（低至6.52 W·m⁻¹·K⁻¹以下）、比热容及热膨胀系数等。以上结果输入有限元模型，在COMSOL Multiphysics环境中进一步分析温度分布与热应力变化。
在表征上，研究团队采用X射线衍射、扫描电子显微镜与能量色散光谱（EDS），分析了样品的晶体结构及烧蚀后氧化物分布情况。此外，通过Vickers显微硬度测试，测量了涂层的硬度（31.2±2.1 GPa）及基层的界面强度（耐受36.9 GPa压力后未发生界面剥离）。
通过开发专属机器学习力场，能够提高分子动力学仿真的高效性与准确性。研究开发了一个三维有限元模型，模拟镀层基体在高温烧蚀过程中的热应力与材料强度变化，分析熵稳定多元二硼化物涂层的界面性能。
多元涂层(Ti₀.₂₅V₀.₂₅Zr₀.₂₅Hf₀.₂₅)B₂表现出显著降低的热导率，相比传统的ZrB₂(84 W·m⁻¹·K⁻¹)或HfB₂(105 W·m⁻¹·K⁻¹)，涂层在25°C至1000°C的热导率范围仅为1.1至6.5 W·m⁻¹·K⁻¹。这种低热导率本质上归因于高熵效应与晶体结构畸变引发的声子散射，进而降低热传导性能。此外，涂层与碳基基材的热胀系数接近，在高温下产生的界面应力不足以导致涂层开裂。
在2200℃的氧丙炔烧蚀试验下，(Ti₀.₂₅V₀.₂₅Zr₀.₂₅Hf₀.₂₅)B₂涂层表现出良好的热稳定性与机械性能。烧蚀中心区域主要观察到熔融的Ti–V氧化物，而边缘区域以固态Hf–Zr氧化物为主。实验表明，质轻和熔融态的Ti、V氧化物被氧乙炔火焰吹扫向外，在中心表面较易消耗，而高熔点Zr、Hf氧化物则堆积在边缘生成更厚的保护层。氧化产物B₂O₃因快速蒸发未在表面显现。烧蚀后，涂层表面未出现裂纹或脱层，显示出优异的粘附性与抗热冲击能力。
SPS法显著提高涂层界面结合性能。通过高温烧结，基板与涂层间建立了物理扩散界面，无化学反应发生，但表面粗糙度对结合强度的提升起到重要作用，同时局部电流效应进一步促进了紧密的界面结合。
本研究成功证实了熵稳定多元二硼化物作为涂层材料在极端环境中的潜力。其低热导率、优异的抗热冲击及耐烧蚀性能，为高温陶瓷涂层在航天、能源及高性能发动机等领域的实际应用提供了直接的技术支持。同时，通过与分子动力学、机器学习及有限元多物理耦合技术的结合，研究进一步建立了精确量化陶瓷性能的工具链，为分析极端环境下的材料失效机制提供了模型依据。
这项研究显著推动了高熵陶瓷材料在极端环境应用中的认识与发展，并通过多学科融合的方法，全面阐释了材料的热物理性能与烧蚀行为，其成果将为后续研究拓展高熵材料的实际应用范围提供关键依据。