慧正資訊：俄羅斯托木斯克理工大學(xué)（Tomsk Polytechnic University，簡(jiǎn)稱TPU）的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了如何改進(jìn)新型高熵陶瓷涂層的性能，使其能夠在超高溫和強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中使用。TPU的研究人員成功提高了碳化物材料在1100°C下的抗氧化性能。未來(lái)，此類涂層可用于航空和航天設(shè)備元件。

超高溫環(huán)境下的挑戰(zhàn)

TPU的科學(xué)家們正在致力于開(kāi)發(fā)全新的多層涂層，以大幅擴(kuò)展其工作溫度范圍。此前，已合成了基于鉿、鋯、鈰和釔氧化物的涂層，并采用磁控濺射法進(jìn)行涂覆。目前，研究已進(jìn)入下一階段，即合成和研究基于碳化物的高熵材料的性能。

基于碳化鉿和碳化鋯的陶瓷是一類獨(dú)特的材料，它們兼具極佳的熱機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，因此在超高溫和強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中不可或缺。

然而，這類材料在高于500°C的溫度下易發(fā)生災(zāi)難性氧化，導(dǎo)致材料逐漸退化、保護(hù)層開(kāi)裂和剝落，這仍是其廣泛應(yīng)用的主要限制因素。解決這一問(wèn)題的一種策略是合金化，旨在形成致密且往往具有自修復(fù)能力的氧化膜。然而，傳統(tǒng)的合金化方法往往會(huì)降低碳化物的基本性能。

科學(xué)家們認(rèn)為，多組分碳化物的熵穩(wěn)定化概念更具前景。此類合金展現(xiàn)出協(xié)同的“雞尾酒效應(yīng)”，結(jié)合了各組分的優(yōu)勢(shì)。

因此，高熵相的熱力學(xué)穩(wěn)定化抑制了高溫下的缺陷形成，同時(shí)改善了功能特性，包括熱導(dǎo)率和抗燒蝕性。此外，此類系統(tǒng)的熵穩(wěn)定化不僅提高了碳化物的抗氧化穩(wěn)定性，還確保了材料在較寬溫度范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性。

1100°C下抗氧化性能的提升

特別令人感興趣的是，可作為傳統(tǒng)熱障涂層（基于氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯）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涂層。此類合金在熱循環(huán)過(guò)程中表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗剝落性能。

“與此同時(shí)，現(xiàn)有的研究主要聚焦于用鉭、鈮和鈦對(duì)碳化鋯和碳化鉿進(jìn)行合金化，而用鋁和鉻進(jìn)行合金化的潛力卻鮮有研究。在這項(xiàng)研究中，我們合成了一種高熵合金，它將碳化鉿和碳化鋯的難熔基體與氧化添加劑鋁、鉻和鉭相結(jié)合。這種組合克服了碳化物之間的結(jié)構(gòu)不相容性，有效抑制了相分離，”共同作者之一、TPU高能過(guò)程物理研究學(xué)院的首席研究員Sergey Zenkin評(píng)論道。

這些涂層通過(guò)磁控濺射法沉積在基底上。對(duì)獲得的樣品在高達(dá)1100°C的溫度下進(jìn)行了氧化測(cè)試。

“隨后，對(duì)涂層的結(jié)構(gòu)特性和元素組成進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，基于碳化鉿和碳化鋯并添加鋁、鉻和鉭的高熵涂層在1100°C下表現(xiàn)出更高的抗氧化性能，”Zenkin補(bǔ)充道。

研究人員指出，與基于未合金化碳化鉿和碳化鋯的材料（抗氧化性能提高高達(dá)20倍）以及分別用鋁和鉻合金化的合金（抗氧化性能提高高達(dá)7倍）相比，所合成和研究的涂層表現(xiàn)出更好的抗氧化性能。目前，科學(xué)家們正在測(cè)試雙氧化物 - 碳化物高熵系統(tǒng)，研究其熱學(xué)和機(jī)械特性，以及它們?cè)跇O端溫度下的相互作用。

該項(xiàng)目由TPU高能過(guò)程物理研究學(xué)院和新生產(chǎn)技術(shù)工程學(xué)院的員工參與。該研究得到了俄羅斯科學(xué)基金會(huì)（Russian Science Foundation）的資助（項(xiàng)目編號(hào)：22-79-10069）。