作者Yushan Li及其团队所在的研究机构包括西安交通大学的State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials、Center for Advancing Materials Performance From the Nanoscale以及Center for Alloy Innovation and Design (CAID)。该研究成果发表于2025年1月15日被接受的《Ceramics International》。本文报告了关于高熵陶瓷（High Entropy Ceramics, HECs）与金属钨网复合的研究，重点探讨了其在高温烧蚀环境下的抗烧蚀性能、热导率、机械性能等发表的原创性研究。
高熵陶瓷是一类结合了高熵合金和超高温陶瓷（Ultra-high Temperature Ceramics, UHTCs）优异性能的材料，因其具有超高硬度、卓越的杨氏模量、高导热性以及抗氧化和烧蚀能力而备受关注。尤其是在航空航天领域，这些特性使其成为高超音速飞行器热防护系统的潜力候选材料。然而，现有的HECs应用仍然受到低热导率和较差机械塑性的制约。本文的研究目的在于通过设计一种基于HECs的复合材料HF₀.₅Zr₀.₃Ti₀.₁Ta₀.₁C（简称HZTTC）与钨网(W)的组合，以提升其抗烧蚀性、热导性和机械性能，从而满足极端环境下的使用需求。
本文的研究分为几个主要步骤：
研究团队采用球磨粉末烧结法合成了HZTTC陶瓷颗粒并以钨网作增强材料。首先，研究选用了颗粒尺寸为1–3 μm、纯度为99.9%的HfC、ZrC、TaC和TiC粉末，按照5:3:1:1的摩尔比例混合后，通过行星式球磨机在400 rpm下湿法球磨12小时。钨网被裁剪为直径19 mm的圆盘形并进行了超声清洗干燥，随后，与干燥的陶瓷粉末交替加载在石墨模具内，通过闪光等离子烧结技术（Spark Plasma Sintering, SPS）在真空中经1800 °C、20分钟、50 MPa 的压力下进行烧结处理。
相组成与微观结构分析
使用X射线衍射（XRD）分析了复合材料的晶体结构，并通过Rietveld结构精修推导晶格参数。通过扫描电子显微镜（SEM）观察了试样的表面及截面微观结构，并结合能谱分析（EDS）进行成分分析。还利用聚焦离子束（FIB）制备截面样品，进一步通过球差校正透射电子显微镜（TEM）进行微结构观察。
热导率与电导率测量
使用激光闪光法测得热扩散率，并结合密度及比热容计算其热导率。电导率和Seebeck系数采用对应的仪器在不同温度下记录。
机械性能测试
利用显微硬度仪测量了样品的硬度，采用维氏压痕法估测断裂韧性。通过纳米压痕法测定了杨氏模量。
烧蚀实验
在气氛等离子喷涂系统中进行烧蚀实验，分别在2500 °C和2700 °C的极端条件下，测试样品在180 s或600 s长时间烧蚀环境下的性能，计算线性烧蚀速率(LAR)和质量烧蚀速率(MAR)。
XRD检测结果表明，HZTTC复合材料呈现标准面心立方结构，形成单相固溶体。复合材料的主要氧化物，包括HfO2与ZrO2，表现出较高的熔点（2810 °C和2700 °C），作为氧化物骨架在烧蚀过程中发挥主要作用。
在2500 °C烧蚀600 s的条件下，HZTTC-W复合材料具有较低的线性烧蚀速率（-1.75 μm/s）和质量烧蚀速率（-0.149 mg/cm²/s），性能优于纯HZTTC陶瓷（-2.40 μm/s和-0.137 mg/cm²/s）。即使在更高的2700 °C烧蚀条件下，复合材料的结构仍保持完整，其LAR和MAR分别仅为-0.75 μm/s和-0.072 mg/cm²/s。
EDS分析显示，钛和钽丰富氧化物的液相充当牺牲相，填充骨架孔隙，有效抑制了高温氧的扩散，并提高了抗烧蚀性能。此外，在烧蚀演化过程中形成的多结构氧化物（针状、片状等）亦显著增强了阻裂性能。
加入钨网后，在973 K下的热导率提升至25.72 W·m⁻¹·K⁻¹，比纯HZTTC陶瓷的22.04 W·m⁻¹·K⁻¹提高了16.7%，有效地协助高温环境下的散热。样品还表现出较高的电导率（1.46×10⁴ S·cm⁻¹），呈现出显著的金属导电特性。
复合材料展现了优异的机械性能。其维氏硬度达22.21 GPa，断裂韧性为5.64 MPa·m¹/²。SEM观察发现，材料断裂模式以晶间断裂及晶内断裂混合形式为主，钨网的存在通过裂纹偏转和裂纹桥接等机制显著提高了韧性。
本研究通过将HF₀.₅Zr₀.₃Ti₀.₁Ta₀.₁C陶瓷和钨网复合制备出一种新型高熵陶瓷金属基复合材料，成功解决了HECs在高温极端环境中的应用限制。该复合材料在机械、热力学及烧蚀性能方面表现出显著优势，尤其是在超高温（如2500 °C及2700 °C）长期运行过程中，展现了良好的结构稳定性。这为高超音速飞行器及其他极端环境应用提供了一个有前景的候选材料。
这些成果将为未来极端环境防护材料的研发提供重要的科学依据和技术指导。