硼化物超高溫陶瓷由于其獨特的高溫熱/力學(xué)性能，成為極端有氧熱環(huán)境下服役的理想候選材料。然而，硼化物陶瓷在2500 以上的強氧化流動(dòng)環(huán)境中會(huì )發(fā)生氧化燒蝕，導致構件失效。解決這一難題的一種有效途徑是采用具有較高熱發(fā)射率的材料，通過(guò)熱輻射的方式在空間飛行中有效散熱，降低構件的溫度梯度和熱應力使其能夠承受更高的熱通量，從而提高抗氧化燒蝕性能。此外，由于硼化物陶瓷固有的低損傷容限，在響應熱沖擊時(shí)易于斷裂導致失效。高熵硼化物由于其高熵效應而具有優(yōu)異的力學(xué)性能和獨特的性能組合，可望解決這些難題。然而，高純超細高熵硼化物粉體的設計制備、單相固溶機理及熱發(fā)射率的增強機制仍不明晰；同時(shí)，其陶瓷塊體的致密化和力學(xué)性能的提升也是亟需解決的問(wèn)題。
為此，固體所研究人員基于晶格尺寸差（＜5.2%）、鮑林電負性差（＜5.5%）、吉布斯自由能等高熵設計要素，結合理論計算優(yōu)選了Ti、Zr、Nb、Mo、Hf五種金屬元素作為高熵固溶體的組成元素，采用研究團隊前期提出的絮凝沉淀輔助硼/碳熱還原法 (J. Mater. Sci. Technol., 164, 229(2023))制備了平均粒徑為495 nm的(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2Hf0.2)B2陶瓷粉體（簡(jiǎn)稱(chēng)TZNMH），其碳氧含量分別為0.59 wt%和0.21 wt%。XRD測試表明，單相高熵硼化物的固溶過(guò)程可分為兩個(gè)階段：1100-1200 時(shí)，金屬氧化物首先轉化為(Zr,Hf)B2和(Ti,Nb,Mo)B2中間二硼化物；高于1400 時(shí)，(Zr,Hf)B2的陽(yáng)離子取代占據(Ti,Nb,Mo)B2主晶格陽(yáng)離子元素位點(diǎn)，并在1700 時(shí)，完全形成高熵固溶體。在室溫條件下，該TZNMH高熵粉末在0.3-2.5 m波長(cháng)范圍內具有近黑體輻射性能，熱發(fā)射率≥95%，優(yōu)于單組元二硼化物。第一性原理計算表明，高熵誘導的帶內電子躍遷及高熵化引起電導率的降低是提高TZNMH在紫外-可見(jiàn)-近紅外區域發(fā)射率的主要原因。
研究人員進(jìn)一步采用放電等離子燒結合成了致密度為99.7%的高熵硼化物陶瓷。在0.98 N的載荷下，高熵陶瓷塊體的維氏硬度達到了31.6 GPa。態(tài)密度計算表明，優(yōu)異的力學(xué)性能是金屬原子與硼原子之間強雜化的結果。同時(shí)，固溶強化機制和織構組織對硬度增強也具有積極的影響。在經(jīng)過(guò)1800 熱處理60 h后，高熵陶瓷保持單相六方結構，元素分布均勻，在0.98 N的載荷下，其硬度仍然超過(guò)30 GPa。該工作闡明了高熵硼化物陶瓷的設計原理和固溶機制，為高性能熱防護材料提供了備選方案。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專(zhuān)項、合肥物質(zhì)院院長(cháng)基金等項目的支持。
