高熵陶瓷是近年来材料科学领域的前沿研究方向，其通过将五种及以上金属元素以等摩尔比固溶于单一晶格中，形成“高熵效应”，从而展现出远超传统陶瓷的力学性能、热稳定性和抗烧蚀性。以过渡金属碳化物为代表的高熵陶瓷，熔点普遍超过3000℃，在航天器热防护系统、核反应堆内衬等极端高温场景中具有不可替代的应用潜力。

然而，传统固相反应法（如机械合金化、高温烧结）需依赖2000℃以上的超高温环境，且易导致元素分布不均、颗粒粗大等问题。如何实现低温合成与纳米级均匀性的统一，成为国际学界的技术难点。国防科技大学航空航天科学与工程学院的谢晨熠、缪华明等科研团队提出液相前驱体法，通过分子级设计攻克了这一难题。

研究团队创新性地采用Pechini配位聚合法，以柠檬酸、乙二醇和金属氯化物（TaCl₅、NbCl₅、ZrOCl₂、HfOCl₂等）为原料，构建了具有螯合结构的液态前驱体。该前驱体具有以下显著优势：

1. 低温高效转化：通过螯合作用锁定金属离子，前驱体在1600℃即可完成碳热还原反应，形成单相高熵碳化物，较传统方法降低400℃以上。

2. 纳米级均匀性：最终产物为粒径140-200纳米的球形颗粒，X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）证实五种元素在原子尺度均匀分布，氧含量低至0.18wt%。

3. 工艺稳定性好：前驱体溶液粘度适中（30-50 mPa·s），可常温储存1年以上，陶瓷产率高达50.8%，适合规模化生产。

该成果的在以下产业的应用潜力备受关注：

• 航天复合材料：纳米粉体可通过前驱体浸渍裂解（PIP）工艺与碳纤维复合，制备新一代超高温陶瓷基复合材料，用于高超音速飞行器前缘热防护。

• 能源装备：高熵陶瓷的耐辐照性能使其成为核反应堆结构材料的候选者。

• 成本优势：原料为常见金属氯化物，液相法设备要求低，较传统电弧熔炼法更具经济性。

研究团队表示，下一步将重点优化粉体与基体的界面结合性能，并开展复合材料在模拟极端环境下的性能测试。

结语

国防科技大学团队的研究不仅突破了高熵陶瓷的制备瓶颈，更展现了分子工程学在材料设计中的强大潜力。随着后续研究的深入，这种高性能陶瓷有望在更多尖端领域实现“中国创造”的应用突破。

注： 本文基于公开学术论文撰写，技术细节已作通俗化处理，完整研究详见《Journal of the American Ceramic Society》2024年107卷，对原文感兴趣的读者欢迎与我们联系共同探讨。项目获得国家重点研发计划（2021YFB3701503）和湖南省科技创新计划（2023RC3024）支持。

图2内容解析：高熵陶瓷前驱体溶液的制备流程示意图

1） 原料与反应体系

• 金属源：

• 水溶液部分：ZrOCl₂·8H₂O（锆源）、HfOCl₂·8H₂O（铪源）溶于水（H₂O）。

• 乙醇溶液部分：TiCl₄（钛源）、NbCl₅（铌源）、TaCl₅（钽源）溶于乙醇（C₂H₅OH）。

• 有机配体：柠檬酸（C₆H₈O₇·H₂O）作为螯合剂，乙二醇（(CH₂OH)₂）作为交联单体。

2）制备步骤

• 混合溶解：将金属盐的水溶液与乙醇溶液依次加入柠檬酸水溶液中，形成混合溶液。

• 配位聚合：加入乙二醇后，在80℃下搅拌0.5–1小时，通过酯化反应和金属-有机配位形成稳定的聚合物网络。

  

图11：扫描电镜（SEM）与元素分布分析

1. 形貌特征：SEM图像显示产物为粒径均匀的纳米颗粒（140-200 nm），无明显团聚，表面轮廓清晰，印证了XRD中单相固溶体的结论。

2. 元素分布：EDS面扫描结果（Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、C、O的分布图）证实五种金属元素在微米尺度上均匀分布，无局部偏析现象，氧含量仅为1.23 wt%，符合高熵陶瓷的固溶体设计要求。

图12通过高分辨透射电镜（HR-TEM）进一步揭示了材料的纳米尺度特性：

1. 晶体结构：

• 图12C的高分辨图像显示清晰的晶格条纹，测得晶面间距0.225 nm，对应（200）晶面，计算晶格常数为0.45 nm，与XRD结果（0.4525 nm）一致。

• 图12D的选区电子衍射（SAED）呈现面心立方（FCC）结构的衍射斑点，证明高熵陶瓷继承了单组元碳化物的晶体结构。

2. 元素均匀性：图12E的EDS面扫描显示，五种金属元素在纳米尺度（<50 nm）仍保持均匀分布，无富集相或缺陷，证实了“高熵效应”的成功实现。