華南理工大學(xué)前沿軟物質(zhì)學(xué)院教授黃哲昊團(tuán)隊(duì)聯(lián)合伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校、斯德哥爾摩大學(xué)、華盛頓大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)，成功研制出一種具有納米帶形貌的一維高熵氧化物（1D-HEO），其組成為（MoWNbTaV）O3。5月29日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《科學(xué)》（Science）。
“相較于傳統(tǒng)高熵氧化物，該一維高熵氧化物展現(xiàn)出卓越的尺寸調(diào)控能力，寬度從60納米至15微米不等，且在高溫（1000°C）、高壓（高達(dá)30 GPa）及強(qiáng)酸/強(qiáng)堿等極端環(huán)境下均能保持單相結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性前所未有。此外，該材料的回彈模量高達(dá)40 MJ/m3，硬度達(dá)6.89 GPa，遠(yuǎn)超當(dāng)前主流的航空航天高溫合金?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧坏狞S哲昊表示。
高熵材料因其在極端環(huán)境下的優(yōu)異穩(wěn)定性和力學(xué)性能，近年來(lái)備受材料科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注。然而，受限于合成技術(shù)與熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)前已知的高熵氧化物大多呈現(xiàn)納米顆粒形貌，在高溫高壓或腐蝕環(huán)境下易發(fā)生相分離或形貌塌縮。特別是低維結(jié)構(gòu)（如一維納米帶）中，保持單相結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)挑戰(zhàn)更為顯著。
為了突破這一瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)選擇了一種具備高混合焓和晶體結(jié)構(gòu)兼容性的多元過(guò)渡金屬硫化物（MoWNbTaV）S2作為前驅(qū)體，采用“原位氧化”策略，使二維硫化物在溫和條件下逐步氧化轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸痪S帶狀形貌的高熵氧化物（MoWNbTaV）O3。這一方法不僅避免了相分離問(wèn)題，還首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米帶尺寸的精準(zhǔn)控制。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多種先進(jìn)表征手段對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入解析，尤其是引入了三維電子衍射（3DED）技術(shù)，在納米尺度下完整解析了晶胞參數(shù)、空間群及原子構(gòu)型，解決了傳統(tǒng)X射線衍射因晶體尺寸過(guò)小而無(wú)法解析結(jié)構(gòu)的難題。通過(guò)3DED與透射電鏡聯(lián)用，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)了材料在室溫及高溫條件下保持單相正交結(jié)構(gòu)，并揭示了其在不同氧化階段的演化機(jī)制。
初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該一維高熵氧化物具備優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，在高溫、高壓及強(qiáng)酸堿環(huán)境中均未出現(xiàn)相變或成分分離，展現(xiàn)出極高的熱化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，其硬度及彈性回彈模量均遠(yuǎn)優(yōu)于常見(jiàn)航空高溫合金，初步驗(yàn)證了其作為耐磨抗沖擊材料的應(yīng)用潛力。
記者了解到，該研究歷時(shí)近5年完成，涵蓋了多個(gè)學(xué)科交叉的復(fù)雜研究環(huán)節(jié)。其中，最大的挑戰(zhàn)在于準(zhǔn)確解析這一成分復(fù)雜、形貌特殊的一維高熵氧化物的晶體結(jié)構(gòu)。為此，研究團(tuán)隊(duì)引入了三維電子衍射技術(shù)，成功解析出晶體結(jié)構(gòu)的空間群、晶胞參數(shù)及原子排列，為材料在實(shí)際極端工況下的可靠性提供了有力證據(jù)。
這種結(jié)合三維電子衍射技術(shù)與高分辨透射電鏡的多尺度結(jié)構(gòu)解析手段，成為該研究成功的關(guān)鍵突破點(diǎn)之一。研究最終發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了一種全新類(lèi)型的一維高熵氧化物材料，為高熵材料領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制研究提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)和理論依據(jù)。
該研究成果不僅豐富了高熵材料的結(jié)構(gòu)體系與穩(wěn)定機(jī)制，更為下一代高性能工程材料的開(kāi)發(fā)提供了全新思路。下一步，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步探索該類(lèi)材料在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的功能拓展，并推進(jìn)結(jié)構(gòu)-性能-熵間的定量關(guān)聯(lián)模型的構(gòu)建，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高熵材料的可預(yù)測(cè)性設(shè)計(jì)與應(yīng)用轉(zhuǎn)化。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adr5604
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-8-4874-0.html學(xué)者研制出新型一維高熵氧化物
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