本文是一篇关于碳/碳（Carbon/Carbon, C/C）复合材料用于热防护系统的科学研究。文章标题为“Ablation behavior of high-entropy boride (HF-ZR-TA-TI)B2 coating fabricated via supersonic atmospheric plasma spraying for Carbon/Carbon composites”，发表在Composites Part B期刊2024年第270期（编号：111137）上，作者包括Junshuai Lv, Wei Li, Tao Li, Lingxiang Guo等，分别来自中国的西北工业大学和河南科学院。本文提供了关于高熵硼化物（High-Entropy Borides, HEB）应用的新见解，强调其在极端高温环境下的耐烧蚀性能。
高温结构材料在航空航天推进、再入飞行器和高超声飞行等领域具有广泛应用。然而，现有材料必须在极端操作条件下维持高机械性能。碳/碳复合材料因其低密度、高比强度、优越的抗热震性能及高温强度，与上述需求高度契合。然而，其固有氧化敏感性限制了实际应用。因此，研究者们提出通过涂覆陶瓷涂层来解决这一问题。其中，超高温陶瓷（Ultra-High Temperature Ceramics, UHTCs）因熔点高（>3000°C）、热化学稳定性及良好的热导率被认为是有前途的涂层材料。然而，传统单组分硼化物（如HfB2或ZrB2）因氧化产物B2O3的快速蒸发，在高于1150°C的条件下显示了较弱的氧化阻力。
近年来，高熵硼化物（High-Entropy Borides, HEBs）因其多组分协同效应而备受关注。本文提出了一种基于高熵硼化物（Hf-Zr-Ta-Ti）B2结构的涂层，用以改进碳/碳复合材料的抗烧蚀性能。
研究目标包括以下几个方面：探讨高熵硼化物(Hf-Zr-Ta-Ti)B2涂层在碳/碳复合材料上的制备方法；评估其抗烧蚀性能；分析涂层烧蚀行为的多组分协同机制，以期为进一步优化抗烧蚀涂层的组成提供理论依据。
研究过程主要包括： 1. 涂层前体粉末的合成：通过硼还原热还原法（Boro-Carbothermal Reduction, BCTR）合成(Hf-Zr-Ta-Ti)B2前体粉末。 2. 涂层制备：利用超音速大气等离子喷涂（Supersonic Atmospheric Plasma Spraying, SAPS）技术将前体粉末涂覆在碳/碳基底上，制备涂层。 3. 烧蚀测试：利用氧-乙炔火焰开展烧蚀测试，分析涂层的烧蚀性能。 4. 表征与数据分析：通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜(TEM)等技术对涂层的微观结构、相组成及烧蚀后的氧化物形貌进行详细表征。
粉末合成
研究者采用了BCTR工艺，反应温度设定为1800°C，最终成功制备了具有单相AlB2晶体结构的高熵硼化物粉末。同时，通过XRD分析和TEM验证发现，粉末中不存在残留氧化物或中间硼化物。
涂层制备
针对制备过程中高熵硼化物的稳定性问题，研究者通过SAPS技术显著提升了涂层制备的效率。涂层试样总体厚度分为两部分：α-SiC过渡层（~60 μm）和外层高熵硼化物涂层（~110 μm）。在涂层制备过程中，主相高熵(Hf-Zr-Ta-Ti)B2仍保持稳定，仅出现少量氧化物副相，如(Hf,Zr)O2。
烧蚀性能
研究通过氧-乙炔火焰测试了涂层在高温烧蚀下的响应。实验结果表明，在氧乙炔火焰条件下（热通量~2.38 MW/m²），涂层表面响应温度均未超过2000°C。根据烧蚀持续时间（30 s和60 s），涂层的线性收缩率分别为0.96 μm/s和1.14 μm/s，相较于传统高温陶瓷涂层展现出更好的烧蚀性能。
通过SEM/TEM分析观测，涂层的氧化产物主要为(hf,zr)6ta2o17和(hf,zr)tio4。实验揭示，涂层表面形成了由Ti主导的液相氧化物封闭层，大大降低了氧的扩散路径；此外，由Ta诱导的层片结构氧化物（lamellar architecture）增强了涂层的抗热冲击性能。
研究证明了通过SAPS技术制备的高熵(Hf-Zr-Ta-Ti)B2涂层具有优越的烧蚀性能，为新一代超高温陶瓷涂层材料的研究与应用提供了重要参考。文章特别指出，多组分高熵硼化物通过复杂的协同机制显著提高了材料的抗烧蚀性能，并展示了其组合优化方向，比如进一步调整Ta和Ti的比例，以改善在极端环境下的稳定性。
本文的研究为未来基于高熵陶瓷的涂层开发提供了清晰的方向。在优化涂层组分、改进工艺流程以及探究更苛刻环境下的性能方面，仍有进一步研究空间。这些研究可能推动高熵材料成为未来超高温陶瓷领域的核心开拓技术。