焦绿石结构高熵氧化物陶瓷材料结构、热学、力学和电学性能的研究

With the continuous improvement of the industrialization technology of China, the development of new high-performance ceramic materials with special structures applied in high-tech fields, such as aerospace, defence and civilian, is extremely urgent. Recently, the high-entropy materials have attracted extensive attention, especially the high-entropy alloy (HEA) materials, which have high strength, high toughness, high stability, high wear resistance and corrosion resistance due to their more nonlinear behaviour, breaking through the performance limit of traditional alloy materials. High-entropy ceramic (HECs) materials were first reported in 2015, and research on the HECs is still in the early stage that needs to be improved both in depth and breadth. Based on the composition design of high-entropy oxide ceramics (HEOCs), this project designed a brand new HEOC system with pyrochlore structure. The effects of molecular weight, valence state and ionic radius on the phase structure, microstructure and stress distribution will be systematically studied. The forming process of materials will be explored. The influence of microstructure and stress distribution on the thermal, mechanical and electrical properties will be expounded. This project will also reveal the mechanism of performance change, and realize the effective regulation of the microstructure and properties for the obtained HEOC materials with pyrochlore structure. This project aims to expand the HEC material system, lays the foundation for the design and preparation of HEC materials, and promotes the application of HECs through the study of properties.

随着我国工业化技术的不断提高，对应用在航空航天、国防和民用等高技术领域具有特殊结构的新型高性能陶瓷材料的研制迫在眉睫。高熵材料近年来得到了广泛的关注，尤其是高熵合金材料，因为其更多的非线性行为而具有高强度、高韧性、高稳定性以及高耐磨耐蚀等特性，突破了传统合金材料的性能极限。高熵陶瓷材料最早报道于2015年，对其研究还处在起步阶段，无论从深度还是广度上都亟待提高。基于此，本项目从高熵氧化物陶瓷的成分设计出发，设计出全新的具有焦绿石结构的高熵氧化物陶瓷体系，系统的研究其分子量、价态和离子半径等对相结构、微观结构及应力分布的影响，探索材料成型工艺，并阐述其微观结构和应力分布对热学、力学和电学等性能的作用，揭示性能改变机理，实现对所得的焦绿石结构高熵氧化陶瓷材料微观结构和性能的有效调控。本项目旨在拓展高熵陶瓷材料体系，为高熵陶瓷材料的设计与制备奠定基础，并通过对性能研究推进高熵陶瓷的应用。

高熵陶瓷，通常是由五种及五种以上的陶瓷组元形成一种多主元固溶体，其概念来源于高熵合金，是目前陶瓷材料领域研究的热点。高度无序的多主元材料体系可以带来以下四种效应：热力学的高熵效应；结构的晶格畸变效应；动力学的迟滞扩散效应；以及组元之间的多元协调效应，即鸡尾酒效应。2015年Rost等人制备合成了一种新的高熵材料-熵稳定的氧化物材料，证实了熵驱动陶瓷材料体系向均匀、单相系统的转变。随着近年来高熵陶瓷的迅速发展，越来越多的高熵陶瓷材料，包括硼化物、碳化物、氮化物、硫化物和硅化物等，其热、电、力学、催化和储能等性能得到了广泛的研究。然而，对高熵陶瓷的研究还仅仅停留在对性能的报道，而高熵所带来的微观结构的变化，以及这些变化对性能的影响并没有得到深入的研究。.本项目合成一种新型的高熵焦绿石结构陶瓷 (A2B2O7，(Gd0.8Ca1.2)(Zr0.8Ta0.6Nb0.6)O7)，这种焦绿石材料被广泛用作热障涂层、氧化物催化剂、固态电解质以及核废物处理等。通过HRTEM研究高熵焦绿石陶瓷材料的微观结构，发现材料中存在严重的晶格畸变现象，通过对HRTEM图片几何相位分析量化了晶格畸变所带来的应变区域，发现晶格畸变带来的压应变区域能够阻碍裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性，同混合物法则相比，高熵焦绿石陶瓷的断裂韧性(2.46 MPa·m0.5)提升高达70%；对材料的传热性能进行研究发现，尽管体系中含有Ca、Nd、Ta元素，其热导率并没有显著上升，与具有低热导率的Gd2Zr2O7 (~1.5W/(m·W))数值相近，说明高熵效应抑制了材料/元素本征的高导热性能；在高温下因为原子的振动加剧，晶格畸变带来的影响减弱，因此材料的高温热膨胀系数与Gd2Zr2O7近似，但在低温段，由于晶格畸变是的R-O键长发生变化，使得材料的低温热膨胀系数显著提升。高熵焦绿石陶瓷优异的综合性能使其具有潜在的应用价值。.本项目基本按预期完成计划，因为疫情原因部分实验后续进行。在已有结论中，首次建立了晶格畸变应变场与材料性能的关系，为高熵陶瓷结构与性能的后续研究提供了理论依据，具有较大的科学意义。