近日，華南理工大學材料科學與工程學院副教授莊磊、研究員褚衍輝團隊通過高熵多組元成分設計，同時結合搭建的激光氧化測試平臺，成功開發可耐3600℃高溫的抗氧化高熵碳化物（Hf, Ta, Zr, W）C材料。相關成果發表于《先進材料》（Advanced Materials）。
《先進材料》審稿人的高度評價，一致認為是超高溫材料領域的重大突破。論文通訊作者褚衍輝對《中國科學報》表示，該新型超高溫陶瓷材料在航空航天、新能源等需耐受極端高溫的領域具有廣闊的應用前景，突破了相關領域的研究瓶頸。
隨著超高聲速飛行器、往返式軌道飛行器等先進裝備的不斷發展，迫切需要研發具有卓越耐高溫性能的先進材料。在現有已知材料中，能在2000℃以上穩定服役的材料屈指可數，僅部分難熔合金、碳基復合材料、超高溫陶瓷可滿足需求。
以上三類材料中，2000℃已逼近難熔合金的耐溫極限；碳基復合材料雖然具有更優異的耐溫性，如C/C復合材料最高可耐3000℃，但碳材料在370℃有氧環境中便會發生氧化，導致力學性能顯著下降；超高溫陶瓷是一類熔點大于3000℃的先進陶瓷材料，是目前最有希望在超高溫有氧環境中穩定服役的材料，但由于其抗氧化溫度始終未能突破3000℃，嚴重制約了新一代先進空天飛行器熱防護系統的開發。
高熵碳化物陶瓷組分是影響其抗氧化性能的關鍵。為了提升材料相關性能，研究團隊在國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目的資助下，首先自主搭建了超高溫激光氧化測試平臺。隨后，以Hf、Ta、Zr元素為基礎，設計了不同組分的高熵碳化物陶瓷，并測試了在2400-3000℃下的抗氧化性能。結果表明（Hf, Ta, Zr, W）C材料在全溫域下具有最低的氧化深度，其氧化動力學在2400-3000℃溫度段內均遵循拋物線規律，證明其具有優異的寬溫域抗氧化性能。
該材料的超高溫抗氧化性能主要得益于生成的具有超高熔點的鎢合金。相比其他元素，鎢元素的表面氧原子吸附能最高，導致氧化難度最大，而除鎢以外的其余元素則會優先氧化，并包裹于鎢合金表面，進一步阻礙鎢合金的氧化。在此原理基礎上，鎢合金彌散分布于氧化物層，可作為高熔點骨架，提高氧化物黏度，進而有效降低氧化物的高溫揮發，阻礙氧氣向內部基體滲透。
論文通訊作者莊磊表示，研究團隊使用激光考核平臺進一步測試了該材料在更高溫度下的氧化性能，驗證了其可在最高3600℃下展現出色的抗氧化性能，顯著優于已報道的其他超高溫材料。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202507254