湖南大学吴正刚团队和香港城大赵仕俊《Acta Materialia》: 高熵碳化物陶瓷抗氧化领域最新研究成果

引言：

超高温陶瓷(UHTCs)具有超高熔点和优异的高温强度，这使UHTCs在航空航天和核工业等极端高温领域展现出极大的应用潜力。近年来，高熵合金(HEAs)的成功为探索新型材料开辟了广阔的组分空间。将高熵概念扩展到碳化物陶瓷领域，多种难熔过渡金属被引入岩盐结构碳化物的阳离子亚晶格，形成高熵碳化物(HECs)。研究表明，相较于二元过渡金属碳化物(TMCs)，HECs已经展现出了优异的硬度-韧性组合。在高温服役环境中，优异的抗氧化性能对于保持结构完整性至关重要。HECs固有的成分复杂性有助于形成复杂多样的保护性氧化层，从而使其在高温氧化环境下展现出了卓越的抗氧化性能。然而，巨大的组分空间使开发具有优异抗氧化性的HECs成为了一个重大挑战。

近日，湖南大学吴正刚教授和香港城市大学赵仕俊教授团队合作探索了高熵碳化物陶瓷中各个组分的微观氧化动力学，旨在通过成分优化进一步提升高熵碳化物的抗氧化性能。在这项研究中，科研团队通过理论计算框架指导对抗氧化HEC的成分优化，并通过氧化实验对理论预测进行验证，为HECs的成分设计提供了理论指导。相关成果以“Compositional optimization for enhanced oxidation resistance of high-entropy carbide ceramics” 在《Acta Materialia》上发表。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120463

图文导读：

图1： 多目标优化、DFT计算和实验验证框架。

图2：不同碳化物在MMC和top点位的吸附能。MTMCs中Nb、Ta、Zr和Hf环境最有利的吸附点位分别是top、top、MMC和MMC位置，与二元TMCs中的一致。高熵(NbTaZrHf)C中氧原子倾向于吸附在富Zr和Hf元素的环境中。

图3：[(ZrHf)_1-x(NbTa)_x]C中不同吸附点位和不同局域环境的吸附能随着ZrHf含量的变化。ZrHf环境的吸附能随着ZrHf含量的增加而降低，而Nb Ta环境则呈现出相反的趋势。ZrHf和NbTa环境之间的吸附能差异在NbTa贫化区域比在等原子HEC中更明显。因此，在NbTa贫化的HECs中，ZrHf环境氧吸附能力显著增强。

图4：多目标优化(MOO)预测出的具有优异抗氧化性能的组分空间。预测成分区域中的HECs在氧环境中具有良好热稳定性的同时，其氧化产物的致密性得到显著提升。此组分空间强调了贫化NbTaTi的成分调控策略，和DFT计算结果一致。

图5： (a) 800 °C和(b) 900 °C的实验验证。非等原子的HECs氧化速率显著低于等原子比。验证了我们通过MOO和DFT所提出的降低NbTaTi含量以提升抗氧化性能的成分设计策略。

小结：

高熵化设计是提升过渡族金属碳化物抗氧化性能的有效方法，但各个组元在高熵体系中存在竞争和协同性氧化。因此，厘清各个组元在氧化动力学中所扮演的角色对于抗氧化性能的优化至关重要。本工作通过DFT计算和多目标优化分析了高熵碳化物中各个组元对氧吸附、热稳定性以及氧化物致密性的影响，并提出一种降低NbTaTi含量的成分设计策略，进一步给出一个具有优异抗氧化性能的组分空间，并被氧化实验所证实。这种结合DFT计算和多目标优化的理论框架能快速地筛选出具有优异抗氧化性能的组分空间，对HEC抗氧化性能优化具有理论指导价值。

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