来源 | Advanced  Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adma.202507254

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背景介绍

在高超音速飞行、航天器再入大气层及先进推进系统等领域，材料需承受超过 2000°C 的极端高温环境，而现有超高温材料（如难熔金属、碳 / 碳复合材料、传统超高温陶瓷）的实际使用温度普遍被限制在 3000°C 以下。例如，碳化铪（HfC）等过渡金属碳化物虽熔点极高（≈3890°C），但其氧化产物（如 HfO₂）熔点低于 2800°C，导致材料在高温下易被氧化破坏。如何突破这一温度瓶颈，成为超高温材料领域的核心挑战。

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成果掠影

近日，华南理工大学褚燕辉、于虎磊、庄磊团队通过高熵成分工程策略探索具有高达3600 °C的2.7 µm·s−1的优异抗氧化性的（Hf，Ta，Zr，W）C高熵碳化物。其抗氧化性能达到2.7 μm·s⁻¹，可在3600°C的超高温环境中稳定服役。这一性能突破了传统超高温材料的温度限制（<3000°C），其关键在于氧化过程中形成了独特的 “双结构氧化层”—— 由高熔点钨（W）颗粒均匀嵌入熔融态 (Hf, Me)₆(Ta, Me)₂O₁₇氧化物中，既阻隔氧扩散，又通过提高熔体黏度增强抗氧化能力。开发的（Hf，Ta，Zr，W）C在高达3600 °C的超高温应用中取得了重大突破，为进一步设计能够在更高工作温度下工作的先进超高温材料铺平了道路。研究成果以“Exceptional Oxidation Resistance of High-Entropy Carbidesup to 3600 °C”为题发表在《Advanced Materials》期刊。

03

图文导读

图1. HEC样品的激光氧化试验。a）开发的激光氧化平台示意图。B）FEA和红外温度计记录的激光氧化过程中的温度-时间曲线。c）激光氧化过程中代表性HEC-W样品正面的红外图像。d）代表性HEC-W样品的XRD图。e）SEM-EDS和f）TEM-EDS分析。D作为g）所有HEC样品和h）代表性HEC-W样品的温度的函数。i）代表性HEC-W样品在不同温度下的氧化动力学。

图2.在2400至3000 °C的激光氧化之后，代表性HEC-W样品的形态和元素分布。a-d）宏观图像。e-h）中心氧化区域的表面SEM图像。i-l）中心氧化区域的横截面SEM图像。p）是（i-l）的包封图。q）是（p）的EDS图。

图3. HEC-W样品在3000 °C下激光氧化后形成的氧化产物的相组成和原子结构。a）XRD图谱。B）低放大率HAADF-STEM图像。c）原子HAADF-STEM图像，d）相应的原子弹性应变分布，以及e）W相的FFT图谱。f，g）（Hf，Me）O2和h，i）（Hf，Me）6（Ta，Me）2 O 7的原子HAADF-STEM图像和相应的FFT图案。j）是（B）的EDS图。

图4. HEC-W的氧化机制和性能。a）通过DFT计算的HEC-W（001）表面不同金属位点上氧的吸收能。B）AIMD在3273 K下模拟的氧化过程中HEC-W结构的原子演化。c）不同时间范围内的统计学∆Z。d）HEC-W、HfC和HfC的测量D，（Zr0.8Ti0.2（C0.74B0.26）样品在3000-3600 °C下氧化后。（Zr0.8Ti0.2）（C0.74B0.26）厚度为3 mm的样品在3600 °C下氧化160和146 s后烧穿，e）HEC-W与其他超高温材料（包括C/C、 UHTCs、和C/C-UHTCs）的氧化性能的比较。