高熵材料的种类与性能

高熵

在一个热力学系统中，熵是系统混乱程度的量度，体系混乱程度越高，熵越大。

系统因其内部构型的无序所产生的熵叫作构型熵。材料的组成成分越多，各组分所占的摩尔数越接近，材料的构型熵越大。根据材料构型熵的大小可将材料分为低熵、中熵和高熵材料。

高熵陶瓷

高熵陶瓷一般是指由五种或五种以上金属元素和一种非金属元素组成的具有简单晶体结构(如体心立方BCC、面心立方FCC和密排六方HCP)的新型陶瓷材料。

按照化学成分分类，可以分为氧化物高熵陶瓷和非氧化物高熵陶瓷。氧化物高熵陶瓷可以按照晶体结构进行分类，如岩盐型结构、萤石型结构、钙钛矿型结构、尖晶石型结构高熵陶瓷等。非氧化物高熵陶瓷按照成分分类，包括碳化物、硼化物、氮化物和硅化物高熵陶瓷等。

高熵氧化物陶瓷

高熵氧化物是目前高熵陶瓷体系中研究最多的一种，因其对制备过程中的环境要求低，所以其主要的制备方法以高温焙烧法和前驱体热解法为主。

岩盐型高熵氧化物

岩盐型高熵氧化物体系主要是以（Co，Cu，Mg，Ni，Zn）O为代表以及在其基础上通过其他元素掺杂（如 Li、Ga、K、F 等）改性得到的改性（Co，Cu，Mg，Ni，Zn）O。在众多高熵陶瓷体系中，岩盐型体系发现的最早，合成过程简单，易于形成。

岩盐型高熵氧化物结构均匀分散，有较好的热稳定性和化学稳定性，被应用在催化领域。

萤石型高熵氧化物

萤石型高熵氧化物(Ce，Gd，La，Nd，Pr，Sm，Y)O，(Ce，La，Nd，Sm，Y)O，(Ce，La，Pr，Sm，Y)O以及(Gd，La，Nd，Pr，Sm，Y)O。高熵萤石型氧化物自身具有一定的催化性能，负载Pd后具有更高的CO氧化催化活性。

其他高熵氧化物

高熵锆酸盐(La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)₂Zr₂O₇，高熵磷酸盐(La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)PO₄、焦磷酸盐(Ti，Zr，Hf)P₂O₇，高熵硅酸盐(Yb_0.25Y_0.25Lu_0.25Er_0.25)₂SiO₅、(Y_1/4Ho_1/4Er_1/4Yb_1/4)₂SiO₅和(Yb_0.2Y_0.2Lu_0.2Sc_0.2Gd_0.2)₂Si₂O₇，高熵锆铪酸盐(Y_0.25Yb_0.25E_r0.25Lu_0.25)₂(Zr_0.5Hf_0.5)₂O₇，以及高熵硅铝酸盐(Mo_0.25Nb_0.25Ta_0.25V_0.25)(Al_0.5Si_0.5)₂等。

高熵氧化物相比于典型热障涂层材料，具备更低的热导率以及和基体匹配的热膨胀系数。相比于其构成组元高熵氧化物展现出更低的晶粒生长速度，这类高熵氧化物可用于高温热/环境障涂层材料。

高熵非氧化物陶瓷

在高熵非氧化物中较为常见的是高熵碳化物和高熵二硼化物，除此之外还有高熵硅化物、高熵氮化物、高熵氟化物等。

高熵碳化物

目前高熵碳化物组成元素多为ⅣB、ⅤB以及ⅥB元素如 Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W等，其晶体结构多为岩盐型结构，其晶体结构示意图如下图。

高熵碳化物的制备方法以放电等离子烧结和真空热压烧结为主，具有较高的硬度和弹性模量，其硬度和弹性模量均高于理论值。高熵碳化物也具有相对较低的热导率。

高熵硼化物

目前对高熵二硼化物的研究主要集中在ⅣB、ⅤB以及ⅥB的元素上，如 Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo和Cr，所形成的高熵硼化物基本为层状六方晶体结构，包含交替的二维硼网和二维金属阳离子层，其晶体结构示意图如下图。

高熵二硼化物通常具有更高的硬度以及更好的抗氧化性能。

高熵二硼化物的制备方法主要以放电等离子烧结为主，少数通过物理气相沉积法和简单的硼热还原制得。

其他非氧化物高熵陶瓷

除了较为常见的高熵碳化物和高熵二硼化物以外，还有许多非氧化物高熵陶瓷如高熵氮化物、高熵硅化物等。高熵硅化物的制备中氧杂质是无法避免。

参考文献：

1.无序的新境界-高熵陶瓷-张国军

2.高熵陶瓷材料研究进展-顾俊峰

3.高熵陶瓷研究进展-徐亮

4.高熵硅化物陶瓷的制备及性能研究-秦渊