高熵陶瓷结构及种类的研究进展

王晓东 刘可凡 高泽然 张柯

摘 要：2015年，相关研究人员成功开发出高熵陶瓷，由于其独特的性能和潜在应用价值而引起了广泛的关注，此后关于高熵陶瓷的科学研究发展迅速。本文简要综述了高熵陶瓷的结构，并根据高熵陶瓷组成成分的不同对其进行分类和展望。

关键词：高熵陶瓷;组成;结构;种类

在高熵陶瓷中，等摩尔浓度的五种或五种以上元素会产生最大摩尔构型熵，另外陶瓷中还存在多种空位，使得构型熵增加，降低其吉布斯自由能，这表明这些新型陶瓷热力学性能优异，在较高温度下非常稳定，具有良好的应用前景。本文简要综述了高熵陶瓷的结构，并对其进行分类，最后进行总结和展望。

1.高熵陶瓷的结构

高熵陶瓷一般由五种或五种以上金属元素和一种非金属元素组成，晶体结构简单，如面心立方结构，体心立方结构和六角密排结构，高熵陶瓷中可加入不同元素，增强其特定性能，此外高熵陶瓷的内部经常出现析出物，其内部扩散速度与相变速度是很缓慢的，并且各个原子随机分布在点阵当中，晶体内部拥有更大的晶格畸变。

2.高熵陶瓷的种类

2.1氧化物高熵陶瓷：

根据晶体结构进行分类，又可将氧化物高熵陶瓷分为岩盐型，钙钛矿型，萤石型，尖晶石型等。

2.11岩盐型氧化物高熵陶瓷：

2015年，相关研究人员将氧化镁，氧化钴，氧化镍，氧化锌，氧化铜在900℃下经6h合成，成功制备出了第一种高熵陶瓷，即具有巖盐结构（Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2）O氧化物高熵陶瓷，经研究发现其阳离子在原子尺度下均匀随机分布，且该高熵陶瓷的显微结构受到Cu的重大影响，导致其拥有较大的晶格畸变。

2.12钙钛矿型氧化物高熵陶瓷：

钙钛矿结构可用ABO3表示，常见的钙钛矿型高熵陶瓷为复合钙钛矿结构，即A位或者B位由两种或者两种以上的离子占据，此时该陶瓷的构型熵会变大，形成钙钛矿型高熵陶瓷。成浩然等[1]采用碳酸钡，氧化铈，氧化铪等化学试剂，按照一定的化学反应计量比，分别在1200℃和1350℃下煅烧12小时，通过固相反应合成了Ba（Ce0.2Hf0.2Sn0.2Ti0.2Zr0.2）O3和Ba（Nb0.2Yb0.2Sn0.2Ti0.2Zr0.2）O3钙钛矿型氧化物高熵陶瓷。

2.13萤石型氧化物高熵陶瓷：

相关研究人员将二氧化铈，二氧化钛和氧化锡等材料按照一定的化学反应计量比，在1350℃下经12h合成（Ce0.2Zr0.2Hf0.2Sn0.2Ti0.2）O2萤石型氧化物高熵陶瓷，但该材料热导率较低，可能产生局部烧结的情况。

2.2碳化物高熵陶瓷：

碳化物高熵陶瓷具有岩盐结构，Zhou等[2]在1950℃下制备了（Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Hf0.2）C 高熵陶瓷粉体，其结构为面心立方结构固溶体，其中金属原子随机置于金属亚晶格中，该高熵陶瓷在抗氧化性方面表现出比其原始成分更好的性能，并且其力学和热力学性能优异。

2.3硼化物高熵陶瓷：

Gild[3]通过高能球磨和火花等离子体烧结方法制备了七种硼化物高熵陶瓷，如（Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2）B2和（Hf0.2Zr0.2Ta0.2Mo0.2Ti0.2）B2。其具有独特的分层六方晶体结构，拥有交替的刚性2D硼网和金属阳离子的高熵2D层，在金属和硼之间具有混合的离子键和共价键。

2.4氮化物高熵陶瓷：

Jin[4]等人将机械化学合成法与软尿素合成法相结合，在球磨过程中将五种过渡金属氮化物与尿素混合，产生高度分散的前体，随后在N2下热解，大大增加了结构熵，第一次成功制备了（V0.2Cr0.2Nb0.2Mo0.2Zr0.2）N氮化物高熵陶瓷，其显示出金属氮化物的晶体结构，并呈现出较窄的中孔分布（2nm）。

2.5硅化物高熵陶瓷：

Gild[5]使用MoSi2，NbSi2，TaSi2，TiSi2，WSi2和ZrSi2的粉末（99%纯度，≥45?m），通过高能球磨混合，在带有氮化硅介质的氮化硅罐中研磨，并通过火花等离子烧结方法得到（Mo0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2W0.2）Si2硅化物高熵陶瓷，该高熵陶瓷具有六角形C40晶体结构。

3.总结与展望

目前，绝大多数高熵陶瓷为等原子比，由过渡金属元素组成，且发生晶格畸变，其最常见的合成方式为固相反应，组元之间的晶格常数失配度，相互固溶度是能否形成高熵陶瓷的关键因素。其热力学稳定性可用于预测其单相形成能力和相稳定性，今后研究将主要集中在高熵陶瓷组元的设计和优化配比，以及探究各元素固溶机制，发展高熵陶瓷设计理论及统一判据等方面。

参考文献

[1] 成浩然.钛酸钡和高熵陶瓷的闪烧研究[D].华北电力大学（北京），2019.

[2] ZHOU J Y，ZHANG J Y，ZHANG F，et al.High-entropy carbide：a novel class of multicomponent ceramics.Ceramics International，2018，44（17）：22014–22018.

[3] GILD J，ZHANG Y，HARRINGTON T，et al.High-entropy metal diborides：a new class of high-entropy materials and a new type of ultrahigh temperature ceramics.Scientific Reports，2016，6：37946.

[4] JIN T，SANG X，Raymond R，Richard T，et al.Mechanochemical-assisted synthesis of high-entropy metal nitride via a soft urea strategy.Advanced Materials，2018，30（23）：1707512.

[5] GILD J，BRAUN J，KAUFMANN K，et al.A high-entropy silicide：（Mo0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2W0.2）Si2.Journal of Materiomics，2019，5（3）：337–343.

作者简介：王晓东（2000-10），男，河北省沧州人;汉;本科生，研究方向：材料科学与工程。