蔡飞燕, 倪德伟, 董绍明

无机材料学报 2024, 39 (6): 591-608. DOI:10.15541/jim20230562

摘要（1202）

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高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物(HECs)陶瓷作为近年来发展迅速的一类新型材料, 兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性, 在极端服役环境中具有广阔的应用前景, 因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有一种或两种过渡金属元素的传统超高温碳化物陶瓷, HECs综合性能有所提升, 且具有更强的组成和性能可设计性, 因此具备较大的发展潜力。经过对HECs的不断探索, 研究人员获得了许多有趣的结果, 开发了多种HECs的制备方法, 对HECs的显微结构和性能的认识也更加深入。本文综述了HECs的基本理论以及从实验过程中获得的规律; 对HECs粉体、HECs块体、HECs涂层及薄膜, 以及纤维增强HECs基复合材料的制备方法进行了梳理和归纳; 并对HECs的力学、热学等性能, 尤其是与高温应用相关的抗氧化、抗烧蚀性能的研究进展进行了综述和讨论。最后, 针对HECs研究中有待进一步完善的科学问题, 对HECs的未来发展提出了展望。

由于元素种类和数量调控范围巨大, HECs存在广阔的设计空间。为了高效筛选能够形成单相HECs的组合, 研究人员不断开发HECs新体系, 尝试通过理论计算预测HECs的形成。Ye等[30]利用密度泛函理论计算了(TiZrHfNbTa)C的特殊准随机结构(SQS)超晶胞的混合焓和构型熵, 利用热力学数据确定了混合吉布斯自由能为负时(TiZrHfNbTa)C的稳定温度, 指导了此种HECs的合成。Sarker等[31]基于第一性原理提出采用熵形成能力(Entropy Forming Ability, EFA), 通过测量材料的能量分布谱来预测多元碳化物是否可以形成单相HECs。他们共计算了56种五元碳化物的EFA值, 并从中选取表1所示的9种进行实验验证。理论预测HECs对应的合成EFA阈值为50 (eV/atom)-1, EFA值越大, 五元碳化物形成单相固溶体的概率也越大。实验结果与理论预测接近, 具有较大EFA值的五元碳化物均形成了单相固溶体, 而EFA值较小的五元碳化物中容易出现第二相[29,31]。除此之外, Kaufmann等[10]通过机器学习预测了包含第VI族(Cr、Mo、W)元素的70种五元碳化物的EFA值, 并结合实验验证了几种典型组成, 进一步证实了EFA模型在高通量探索高熵陶瓷组成方面的有效性。