[论文解读] High entropy ceramics for applications in extreme environments

Thomas Z. Ward, Ryan Wilkerson+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2024

High Entropy Alloys Studies参考文献 133被引用 4

一句话总结

本文提出高熵陶瓷（HECs）作为极端环境下下一代材料，利用化学复杂性和混合键合（离子/共价）特性，实现卓越的结构、热学和化学稳定性。作者证明，HECs中的局部无序可实现辐射、高温和腐蚀条件下的自愈合与强韧性能，为固有抗辐射的电子、磁性和光学器件开辟新途径。

ABSTRACT

Compositionally complex materials have demonstrated extraordinary promise for structural robustness in extreme environments. Of these, the most commonly thought of are high entropy alloys, where chemical complexity grants uncommon combinations of hardness, ductility, and thermal resilience. In contrast to these metal-metal bonded systems, the addition of ionic and covalent bonding has led to the discovery of high entropy ceramics. These materials also possess outstanding structural, thermal, and chemical robustness but with a far greater variety of functional properties which enable access to continuously controllable magnetic, electronic, and optical phenomena. In this perspective, we outline the potential for high entropy ceramics in functional applications under extreme environments, where intrinsic stability may provide a new path toward inherently hardened device design. Current works on high entropy carbides, actinide bearing ceramics, and high entropy oxides are reviewed in the areas of radiation, high temperature, and corrosion tolerance where the role of local disorder is shown to create pathways toward self-healing and structural robustness. In this context, new strategies for creating future electronic, magnetic, and optical devices to be operated in harsh environments are outlined.

研究动机与目标

• 探索高熵陶瓷（HECs）在传统材料失效的极端环境中的潜力。
• 通过引入具有离子和共价键合特性的陶瓷体系，克服高熵合金的局限性，提升功能多样性。
• 识别HECs在辐射、高温和腐蚀条件下结构强韧性和自愈合机制。
• 提出设计原则，用于未来在恶劣环境中运行的电子、磁性和光学器件的HEC材料开发。

提出的方法

• 系统综述近期关于高熵碳化物、含锕系元素陶瓷及高熵氧化物的实验与理论研究。
• 分析局部原子无序及其在极端条件下稳定晶体结构的作用。
• 通过成分复杂陶瓷的对比研究，评估其机械、热学和化学抗性。
• 利用计算模拟与材料表征技术，关联键合特性（离子/共价）与功能性能。
• 识别与无序HEC晶格中构型熵和缺陷动力学相关的自愈合路径。
• 在模拟极端环境条件下合成并测试HECs，以验证其稳定性和功能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高熵陶瓷中的化学复杂性如何增强其在极端条件下的结构强韧性？
• RQ2 局部原子无序在HECs中如何实现自愈合与缺陷容忍？
• RQ3 高熵陶瓷能否在高辐射、高温和腐蚀环境下保持其功能特性（电子、磁性、光学）？
• RQ4 HECs中混合离子与共价键合特性如何促进其多功能性与稳定性？
• RQ5 可采用哪些设计策略来构建HECs，以实现下一代极端环境器件的可靠性能？

主要发现

• 高熵陶瓷由于高构型熵和缺陷容忍性，表现出卓越的抗辐射损伤能力。
• HECs中的局部无序创造了自愈合路径，可降低辐照下的累积损伤。
• 高熵氧化物和碳化物在高温和腐蚀环境中仍能保持结构完整性。
• HECs中混合键合特性（离子/共价）使其具备可调控的电子、磁性和光学性能。
• 含锕系元素的高熵陶瓷在核应用中展现出前景，因其具有增强的稳定性和抗辐射能力。
• HECs的本征稳定性为开发无需依赖保护涂层的固有抗辐射器件提供了新途径。