人類社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展對(duì)材料性能提出了越來(lái)越高的要求，這是激勵(lì)人們探索新的材料設(shè)計(jì)理論并開(kāi)發(fā)新材料體系的原動(dòng)力。近年來(lái)，性能優(yōu)異的新材料不斷涌現(xiàn)，并相繼成為研究熱點(diǎn)，由高熵合金發(fā)展而來(lái)的高熵陶瓷就是典型代表之一。

什么是高熵陶瓷？

熵是什么？

?熵是熱力學(xué)中表征物質(zhì)混亂程度的參量，其概念由克勞修斯(T.Clausius)于1854年提出。熵越低，系統(tǒng)越穩(wěn)定有序；熵越高，系統(tǒng)越無(wú)序混亂。

?

系統(tǒng)因其內(nèi)部構(gòu)型的無(wú)序所產(chǎn)生的熵叫作構(gòu)型熵，材料的構(gòu)型熵主要與其所含組分的數(shù)目以及各組分所占的摩爾分?jǐn)?shù)有關(guān)，即材料的組成成分越多，各組分所占的摩爾數(shù)越接近，材料的構(gòu)型熵越大。高熵陶瓷是由多個(gè)組元（一般大于5）以等比例或近等比例相互固溶而形成的一類無(wú)機(jī)非金屬材料，故其結(jié)構(gòu)成無(wú)序狀態(tài)。

高熵陶瓷的性能及應(yīng)用

到目前為止，高熵陶瓷的大家族中已經(jīng)涵蓋了碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、硫化物、簡(jiǎn)單氧化物、稀土硅酸鹽、稀土磷酸鹽等，涉及的應(yīng)用領(lǐng)域包括高溫隔熱、高溫防熱、抗高溫腐蝕和氧化、超硬加工與耐磨涂層、生物相容涂層、電磁吸收與屏蔽、催化與裂解、超級(jí)電容器、鋰離子電池、熱電轉(zhuǎn)化、氧離子傳感器等。

高熵陶瓷的制備方法

最早的高熵陶瓷是利用固相反應(yīng)法制備的，首先通過(guò)球磨的方法將原料充分混合并發(fā)生部分固溶，然后將混合好的原料置于高溫下充分焙燒，以形成均勻且單一的高熵相。為了防止冷卻過(guò)程中，已經(jīng)形成的高熵相脫溶、分相或析出第二相，人們通常使用淬火等快速冷卻的方法制備。固相反應(yīng)法具有反應(yīng)原理簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高、設(shè)備要求低等優(yōu)勢(shì)，是目前最常見(jiàn)的制備高熵陶瓷的方法。但是固相反應(yīng)法也存在明顯的不足，即反應(yīng)溫度較高、反應(yīng)時(shí)間久、產(chǎn)物比例難以準(zhǔn)確控制、制備過(guò)程中極易引入雜質(zhì)等缺點(diǎn)。

為了解決這些問(wèn)題，借鑒前驅(qū)體制備陶瓷的方法，人們開(kāi)發(fā)出了一種由前驅(qū)體出發(fā)，在相對(duì)溫和的條件下合成高熵陶瓷的方法，即通過(guò)溶膠-凝膠法、反向共沉淀等方法，實(shí)現(xiàn)原料的原子級(jí)別混合，從而降低合成高熵材料所需要的能壘，隨后再在相對(duì)較低的溫度進(jìn)行充分焙燒以去除多余的交聯(lián)劑、沉淀劑或溶劑，從而實(shí)現(xiàn)高熵陶瓷的低溫合成。具有反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)物粒徑可控、產(chǎn)物更加純凈等優(yōu)勢(shì)。但是前驅(qū)體熱解法存在產(chǎn)率較低、工藝復(fù)雜、設(shè)備要求高、產(chǎn)物顆粒再燒結(jié)困難等問(wèn)題。

除此之外，近年來(lái)其他新型合成高熵陶瓷的方法如水熱法、電弧熔煉法、聲波輻射輔助法、反應(yīng)閃光燒結(jié)法等也陸續(xù)出現(xiàn)，高熵陶瓷的制備方法正向著多元化，實(shí)用化發(fā)展。

高熵陶瓷的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

自從2015年第一篇關(guān)于塊狀高熵氧化物的文章開(kāi)始，近幾年高熵陶瓷的研究成果激增，至今有關(guān)高熵陶瓷論文多達(dá)400余篇，所涉及的體系也從原來(lái)的氧化物體系發(fā)展到現(xiàn)在的多種體系。

作為陶瓷界的新星，高熵陶瓷成分復(fù)雜且研究體系龐大，這給材料設(shè)計(jì)和制備帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，它還具有組分調(diào)節(jié)空間巨大、熵效應(yīng)獨(dú)特以及材料性能可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，是材料領(lǐng)域中一個(gè)尚待開(kāi)采的富礦。目前，高熵陶瓷的研究尚處于起步階段，大量工作聚焦于成分設(shè)計(jì)、單相形成能力、制備方法、基本性能等方面，還存在諸多問(wèn)題亟待解決，如高熵合金的四個(gè)核心效應(yīng)在高熵陶瓷中的普適性尚待驗(yàn)證，更精準(zhǔn)的成分設(shè)計(jì)理論和單相形成能力的統(tǒng)一判據(jù)有待建立，高熵陶瓷的組分-微結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系需要挖掘等。