Feiyan Cai等研究团队发表了一篇题为“Ablation behavior and mechanisms of CF/(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C–SiC high-entropy ceramic matrix composites”的论文，该论文发表于2022年7月31日的《Composites Part B》。该研究由上海硅酸盐研究所（State Key Laboratory of High Performance Ceramics & Superfine Microstructure, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences）和中国科学院大学的研究团队联合完成，针对高熵超高温陶瓷基复合材料在极端环境下的烧蚀行为展开了全面的研究。这项研究以“CF/(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C–SiC高熵陶瓷基复合材料”（后文简称CF/HEC-SiC）为研究对象，通过实验和表征对其烧蚀行为及机制进行了系统分析。

研究背景与目标

随着高超音速飞行器的发展，对高性能热防护系统（TPS）材料的需求日益迫切。超高温陶瓷（UHTCs）因其低密度、良好的抗氧化性和优异的耐烧蚀性，逐渐成为TPS的研究重点。然而，UHTCs在极端高温环境下，相变和氧化产物的不稳定性问题限制了其广泛应用。相比之下，新兴的高熵陶瓷（High-Entropy Ceramics, HECs）因其高熵效应具有更高的热稳定性、硬度和抗氧化性能，开始成为焦点。然而，目前关于HECs对高温烧蚀行为影响的研究尚不充分，这限制了其在极端应用环境中的设计优化。

本研究旨在探索CF/HEC-SiC陶瓷基复合材料在空气等离子体烧蚀条件下的耐烧蚀性能，并揭示其烧蚀机制。研究选取一种包含五种过渡金属碳化物(Ti, Zr, Hf, Nb, Ta)的高熵碳化物(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C作为研究对象，与SiC结合形成的基复合材料用于极端高温下的实验测试。

研究方法

研究采用了以下主要实验流程和技术：

材料制备

1. 碳纤维基材处置：使用日本东丽T700碳纤维，制备含~28%纤维体积分数的三维针刺织物，先通过化学气相沉积(CVI)涂覆一层PyC/SiC界面。
2. 先驱体浸渗与热处理：复合材料的基体通过浸渗(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C先驱体后，在250°C固化、400°C热解及1700°C真空热处理完成基体高熵碳化物生成。
3. 进一步浸渗SiC：随后通过浸渗聚碳硅烷（PCS）进行4到6个循环，最后再次热处理，形成SiC增韧相。

烧蚀实验

1. 使用空气等离子炬（内径10 mm，功率密度4 MW/m²与5 MW/m²）模拟高温烧蚀环境。样品尺寸约为60×35×6 mm，通过双光感应红外高温计测定中心区域温度（2430°C）。
2. 烧蚀时长为300秒，测量材料厚度和质量的减少以计算线性烧蚀率(LAR)和质量烧蚀率(MAR)。

表征分析

1. 物相分析：通过X射线衍射（XRD）分析材料烧蚀前后的物相组成。
2. 显微结构表征：使用扫描电子显微镜（SEM）表征氧化层表面和截面微观结构，结合EDS元素分布分析进一步揭示化学组成。
3. 透射电子显微镜（TEM）观察：选取烧蚀形成的氧化球体等局部区域，在高分辨图像下分析微观结构和晶相。

主要研究发现

烧蚀性能

在2430°C高温下，CF/HEC-SiC复合材料表现出优异的抗烧蚀性能，其线性烧蚀率为~2.89 μm/s，质量烧蚀率为~2.60 mg/s。与传统简单基体系的UHTC复合材料相比，本研究材料展现了更低的烧蚀速率，即使在极端高温下仍能保持稳定的抗烧蚀行为。这一现象的关键在于材料表面生成了一种具有高度粘性的氧化层，起到了稳定的抗氧化保护作用。

烧蚀中心区

烧蚀中心区域温度最高，样品表面形成致密的氧化层，其中包含玻璃态SiO2和高熵氧化物(TiZrHfNbTa)Ox微球。这种氧化物微球均匀分散于SiO2中，并且构成了表面保护体系。TEM分析显示其晶体结构呈高度对称的立方结构，具有一定氧空位。

边缘过渡区

烧蚀中心向外温度逐渐降低，观察到板状(Hf0.5Zr0.5O2)′骨架与纳米晶相(TiNbTaO7-y)′共同存在。Hf和Zr元素富集形成稳定的氧化物框架，而Ti、Nb、Ta的氧化物晶体结构在周围交替分布。这种“自愈合”特性帮助维持氧化层的稳定性。

外部区域

烧蚀外部区域温度较低，主要观测到细长的棒状(TiNbTaO7-y)′和小片状(Hf0.5Zr0.5O2)′。由于温度不足以维持高熵氧化物，烧蚀直接生成多相氧化物，为进一步优化设计提供新的参考。

讨论与机制分析

机制总结：材料的耐烧蚀性能来源于表面形成的多相氧化物层。其中： 1. 高熵氧化物(TiZrHfNbTa)Ox在烧蚀过程中因熵稳定效应，形成的球形颗粒稳定存在于高温条件下。 2. 碳化物与SiC相结合生成的“Hf–Zr骨架”及纳米级“自愈合”结构有效减少了烧蚀引起的热应力和裂纹扩展。 3. 自愈合与多相协同作用确保材料在动态冲刷和高温氧化条件下仍具有优异抗毁性能。

研究意义

1. 从科学意义上，该研究丰富了高熵陶瓷体系的理论与实验基础，并揭示了CF/HEC-SiC复合材料复杂氧化物网络结构与性能的内在联系。
2. 从应用价值看，CF/HEC-SiC复合材料为高超声速飞行器提供了一种能在极端环境中长期使用的热防护材料。

这项研究展示了通过高熵效应和多相协同提升超高温陶瓷抗烧蚀性能的独特优势，并为未来开发更高性能的新型TPS材料指明了研究方向。