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研究人員開發出用于航空航天領域的高熵陶瓷涂層

文章來源：慧正咨詢更新時間：2025-09-08 15:56:03

慧正資訊：俄羅斯托木斯克理工大學（Tomsk Polytechnic University，簡稱TPU）的科學家們發現了如何改進新型高熵陶瓷涂層的性能，使其能夠在超高溫和強腐蝕性環境中使用。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，此類涂層可用于航空和航天設備元件。

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涂層，以大幅擴展其工作溫度范圍。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行涂覆。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。

基于碳化鉿和碳化鋯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復能力的氧化膜。然而，傳統的合金化方法往往會降低碳化物的基本性能。

科學家們認為，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范圍內的結構完整性。

1100°C下抗氧化性能的提升

特別令人感興趣的是，可作為傳統熱障涂層（基于氧化釔穩定的氧化鋯）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。此類合金在熱循環過程中表現出極強的抗剝落性能。

“與此同時，現有的研究主要聚焦于用鉭、鈮和鈦對碳化鋯和碳化鉿進行合金化，而用鋁和鉻進行合金化的潛力卻鮮有研究。在這項研究中，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、鉻和鉭相結合。這種組合克服了碳化物之間的結構不相容性，有效抑制了相分離，”共同作者之一、TPU高能過程物理研究學院的首席研究員Sergey Zenkin評論道。

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

“隨后，對涂層的結構特性和元素組成進行了分析。結果表明，基于碳化鉿和碳化鋯并添加鋁、鉻和鉭的高熵涂層在1100°C下表現出更高的抗氧化性能，”Zenkin補充道。

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7倍）相比，所合成和研究的涂層表現出更好的抗氧化性能。目前，科學家們正在測試雙氧化物 - 碳化物高熵系統，研究其熱學和機械特性，以及它們在極端溫度下的相互作用。

該項目由TPU高能過程物理研究學院和新生產技術工程學院的員工參與。該研究得到了俄羅斯科學基金會（Russian Science Foundation）的資助（項目編號：22-79-10069）。

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