高熵陶瓷（High-entropy ceramics）通常指由五種或五種以上陶瓷組元形成的固溶體，因其獨(dú)特的“高熵效應(yīng)”及優(yōu)越的性能，近年來(lái)已成為陶瓷領(lǐng)域的熱點(diǎn)。熵是熱力學(xué)中表征物質(zhì)混亂程度的參量，其概念由克勞修斯(T.Clausius) 于1854年提出。熵越低，系統(tǒng)越穩(wěn)定有序；熵越高，系統(tǒng)越混亂。高熵陶瓷的研究最早可追溯到2015年。當(dāng)時(shí)美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)的Rost、Maria和杜克大學(xué)的Curtarolo等首先合作報(bào)道了一種巖鹽結(jié)構(gòu)的熵穩(wěn)定氧化物陶瓷，即高熵陶瓷。隨后，越來(lái)越多的高熵陶瓷，包括螢石結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)的高熵氧化物陶瓷以及硼化物、碳化物、氮化物、硅化物等非氧化物高熵陶瓷如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)，逐漸成為研究熱點(diǎn)。

“高熵”是近年來(lái)出現(xiàn)的新的材料設(shè)計(jì)理論,目前已成為材料研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，其概念最初由高熵合金發(fā)展而來(lái)。隨著高熵合金研究的不斷深人，高熵的概念逐漸拓展到其他材料中，如高熵金屬玻璃、高熵陶瓷、高熵?zé)犭姴牧?、高熵聚合物等?/p>

高熵陶瓷的制備方法：

最早的高熵陶瓷是利用固相反應(yīng)法制備的，首先通過(guò)球磨的方法將原料充分混合并發(fā)生部分固溶，然后將混合好的原料置于高溫下充分焙燒，以形成均勻且單一的高熵相。為了防止冷卻過(guò)程中，已經(jīng)形成的高熵相脫溶、分相或析出第二相，人們通常使用淬火等快速冷卻的方法制備。

借鑒前驅(qū)體制備陶瓷的方法，人們開(kāi)發(fā)出了一種由前驅(qū)體出發(fā)，在相對(duì)溫和的條件下合成高熵陶瓷的方法，即通過(guò)溶膠-凝膠法、共沉淀等方法，實(shí)現(xiàn)原料的原子級(jí)別混合，從而降低合成高熵材料所需要的能壘，隨后再在相對(duì)較低的溫度進(jìn)行充分焙燒以去除多余的交聯(lián)劑、沉淀劑或溶劑，從而實(shí)現(xiàn)高熵陶瓷的低溫合成。

除此之外，近年來(lái)其他新型合成高熵陶瓷的方法如水熱法、電弧熔煉法、聲波輻射輔助法、反應(yīng)閃光燒結(jié)法等也陸續(xù)出現(xiàn)，高熵陶瓷的制備方法正向著多元化，實(shí)用化發(fā)展。

高熵的基本規(guī)律和特點(diǎn)：高熵陶瓷普遍具有4個(gè)核心效應(yīng)

1.熱力學(xué)的高熵效應(yīng)

N種元素的材料系統(tǒng)最多可形成N+1相，然而高熵材料往往會(huì)形成單相的固溶體,而非分相或者形成各種金屬間化合物。

2.結(jié)構(gòu)的晶格畸變效應(yīng)

高熵材料中的組成元素原子都是隨機(jī)分布在晶格上，所以相比普通材料中的晶格畸變，高熵材料的各種畸變、滑移、位錯(cuò)會(huì)更多，因此畸變對(duì)其性能的影響會(huì)更多。

3.動(dòng)力學(xué)的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)

相的平衡分離需要各組元之間的協(xié)同擴(kuò)散,而高熵材料內(nèi)的多組元使其協(xié)同擴(kuò)散變得困難。極緩慢的擴(kuò)散會(huì)對(duì)其熱學(xué)、電學(xué)性能產(chǎn)生影響。

4.組元的協(xié)同增效作用

材料中多種元素的特性及其相互作用使高熵陶瓷呈現(xiàn)一種復(fù)雜效應(yīng)，即多組元協(xié)同增效作用。

高熵陶瓷的應(yīng)用：

到目前為止，高熵陶瓷的大家族中已經(jīng)涵蓋了碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、硫化物、簡(jiǎn)單氧化物、稀土硅酸鹽、稀土磷酸鹽等，涉及的應(yīng)用領(lǐng)域包括高溫隔熱、高溫防熱、抗高溫腐蝕和氧化、超硬加工與耐磨涂層、生物相容涂層、電磁吸收與屏蔽、催化與裂解、超級(jí)電容器、鋰離子電池、熱電轉(zhuǎn)化、氧離子傳感器等。

1.高溫隔熱

由于高熵陶瓷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)遲滯擴(kuò)散效應(yīng)，導(dǎo)致熱量在陶瓷中的傳導(dǎo)速度變得緩慢，可以預(yù)期會(huì)有助于降低材料的熱導(dǎo)率。另外，研究表明高熵有助于提高碳化物陶瓷的抗氧化性能，因此高熵陶瓷有望在高溫隔熱、抗高溫腐蝕和氧化領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.催化劑

研究人員利用高熵氧化物作為支撐制備出具有高溫穩(wěn)定性能的新型負(fù)載型催化劑。該催化劑活性位點(diǎn)高度分散，不僅對(duì)CO氧化物具有較高的催化活性，而且由于高熵金屬氧化物的高溫穩(wěn)定性，使得該催化劑還具有較高的熱穩(wěn)定性。

3.二次電池

高熵氧化物陶瓷可顯著提高鋰離子電池的儲(chǔ)存容量和循環(huán)穩(wěn)定性。研究將高熵氧化物作為鈉離子電池正極材料發(fā)現(xiàn)，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率和循環(huán)性能。

現(xiàn)今，單一主元傳統(tǒng)材料已無(wú)法滿(mǎn)足新技術(shù)日益增長(zhǎng)的需要，社會(huì)發(fā)展對(duì)高性能新材料研發(fā)需求愈發(fā)迫切。自多主元高熵合金概念被提出以來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特多元成分比例和空間結(jié)構(gòu)賦予了材料前所未有的新奇高熵效應(yīng)，迅速引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們濃厚的研究興趣，短時(shí)期內(nèi)更多優(yōu)異性能的高熵合金材料被研發(fā)出來(lái)。同時(shí)，高熵材料已被拓展到多種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)及功能材料領(lǐng)域，如高溫結(jié)構(gòu)材料、涂層材料、儲(chǔ)氫材料、抗輻射材料、電磁屏蔽材料、熱電材料等，有望廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工業(yè)、電子信息及新能源等領(lǐng)域。繼高熵合金之后，高熵材料設(shè)計(jì)理念也已拓展到了陶瓷材料研究領(lǐng)域，尤其是巖鹽型結(jié)構(gòu)熵穩(wěn)定氧化物的成功制備為高熵陶瓷材料研究拉開(kāi)了序幕。

近五年來(lái)，高熵陶瓷材料如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)，已逐漸發(fā)展成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，新型高熵氧化物、高熵碳化物、高熵氮化物、高熵硼化物、以及高熵硅化物等高熵陶瓷材料相繼被成功合成。與傳統(tǒng)陶瓷材料相比，高熵陶瓷材料表現(xiàn)出了較優(yōu)異的耐腐蝕性、抗氧化性、熱穩(wěn)定性以及高硬度等特性，在國(guó)防軍工、航空航天、新能源等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。面向高性能新型陶瓷材料發(fā)展需求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，研發(fā)具有綜合優(yōu)異性能的新型高熵陶瓷材料將是一條有效路徑。此外，隨著高熵陶瓷應(yīng)用研究的不斷發(fā)展，有望推動(dòng)我國(guó)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和國(guó)防工業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵材料創(chuàng)新突破，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)高質(zhì)量快速發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。

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