慧正資訊：俄罗斯托木斯克理工大学（Tomsk Polytechnic University，简称TPU）的科学家们发现了如何改进新型高熵陶瓷涂层的性能，使其能够在超高温和强腐蚀性环境中使用。TPU的研究人员成功提高了碳化物材料在1100°C下的抗氧化性能。未来，此类涂层可用于航空和航天设备元件。

超高溫環境下的挑戰

TPU的科學家們正在致力于開發全新的多層塗層，以大幅擴展其工作溫度範圍。此前，已合成了基于铪、锆、铈和钇氧化物的塗層，並采用磁控濺射法進行塗覆。目前，研究已進入下一階段，即合成和研究基于碳化物的高熵材料的性能。

基于碳化铪和碳化锆的陶瓷是一類獨特的材料，它們兼具極佳的熱機械性能和化學穩定性，因此在超高溫和強腐蝕性環境中不可或缺。

然而，這類材料在高于500°C的溫度下易發生災難性氧化，導致材料逐漸退化、保護層開裂和剝落，這仍是其廣泛應用的主要限制因素。解決這一問題的一種策略是合金化，旨在形成致密且往往具有自修複能力的氧化膜。然而，傳統的合金化方法往往會降低碳化物的基本性能。

科學家們認爲，多組分碳化物的熵穩定化概念更具前景。此類合金展現出協同的“雞尾酒效應”，結合了各組分的優勢。

因此，高熵相的熱力學穩定化抑制了高溫下的缺陷形成，同時改善了功能特性，包括熱導率和抗燒蝕性。此外，此類系統的熵穩定化不僅提高了碳化物的抗氧化穩定性，還確保了材料在較寬溫度範圍內的結構完整性。

1100°C下抗氧化性能的提升

特別令人感興趣的是，可作爲傳統熱障塗層（基于氧化钇穩定的氧化锆）與耐熱基底（例如由鎳鉻合金制成）之間的中間層的薄膜高熵塗層。此類合金在熱循環過程中表現出極強的抗剝落性能。

“与此同时，现有的研究主要聚焦于用钽、铌和钛对碳化锆和碳化铪进行合金化，而用铝和铬进行合金化的潜力却鲜有研究。在这项研究中，我们合成了一种高熵合金，它将碳化铪和碳化锆的难熔基体与氧化添加剂铝、铬和钽相结合。这种组合克服了碳化物之间的结构不相容性，有效抑制了相分离，”共同作者之一、TPU高能过程物理研究学院的首席研究员Sergey Zenkin评论道。

這些塗層通過磁控濺射法沈積在基底上。對獲得的樣品在高達1100°C的溫度下進行了氧化測試。

“隨後，對塗層的結構特性和元素組成進行了分析。結果表明，基于碳化铪和碳化锆並添加鋁、鉻和钽的高熵塗層在1100°C下表現出更高的抗氧化性能，”Zenkin補充道。

研究人员指出，与基于未合金化碳化铪和碳化锆的材料（抗氧化性能提高高达20倍）以及分别用铝和铬合金化的合金（抗氧化性能提高高达7倍）相比，所合成和研究的涂层表现出更好的抗氧化性能。目前，科学家们正在测试双氧化物 - 碳化物高熵系统，研究其热学和机械特性，以及它们在极端温度下的相互作用。

该项目由TPU高能过程物理研究学院和新生产技术工程学院的员工参与。该研究得到了俄罗斯科学基金会（Russian Science Foundation）的资助（项目编号：22-79-10069）。