超高溫陶瓷(UHTCs)具有超高熔點和優異的高溫強度，這使UHTCs在航空航天和核工業等極端高溫領域展現出極大的應用潛力。近年來，高熵合金(HEAs)的成功為探索新型材料開辟了廣闊的組分空間。將高熵概念擴展到碳化物陶瓷領域，多種難熔過渡金屬被引入巖鹽結構碳化物的陽離子亞晶格，形成高熵碳化物(HECs)。研究表明，相較于二元過渡金屬碳化物(TMCs)，HECs已經展現出了優異的硬度-韌性組合。在高溫服役環境中，優異的抗氧化性能對于保持結構完整性至關重要。HECs固有的成分復雜性有助于形成復雜多樣的保護性氧化層，從而使其在高溫氧化環境下展現出了卓越的抗氧化性能。然而，巨大的組分空間使開發具有優異抗氧化性的HECs成為了一個重大挑戰。

近日，湖南大學吳正剛教授和香港城市大學趙仕俊教授團隊合作探索了高熵碳化物陶瓷中各個組分的微觀氧化動力學，旨在通過成分優化進一步提升高熵碳化物的抗氧化性能。在這項研究中，科研團隊通過理論計算框架指導對抗氧化HEC的成分優化，并通過氧化實驗對理論預測進行驗證，為HECs的成分設計提供了理論指導。相關成果以“Compositional optimization for enhanced oxidation resistance of high-entropy carbide ceramics” 在《Acta Materialia》上發表。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120463

圖1： 多目標優化、DFT計算和實驗驗證框架。

圖2：不同碳化物在MMC和top點位的吸附能。MTMCs中Nb、Ta、Zr和Hf環境最有利的吸附點位分別是top、top、MMC和MMC位置，與二元TMCs中的一致。高熵(NbTaZrHf)C中氧原子傾向于吸附在富Zr和Hf元素的環境中。

圖3：[(ZrHf)_1-x(NbTa)_x]C中不同吸附點位和不同局域環境的吸附能隨著ZrHf含量的變化。ZrHf環境的吸附能隨著ZrHf含量的增加而降低，而Nb Ta環境則呈現出相反的趨勢。ZrHf和NbTa環境之間的吸附能差異在NbTa貧化區域比在等原子HEC中更明顯。因此，在NbTa貧化的HECs中，ZrHf環境氧吸附能力顯著增強。

圖4：多目標優化(MOO)預測出的具有優異抗氧化性能的組分空間。預測成分區域中的HECs在氧環境中具有良好熱穩定性的同時，其氧化產物的致密性得到顯著提升。此組分空間強調了貧化NbTaTi的成分調控策略，和DFT計算結果一致。

圖5：(a) 800 °C和(b) 900 °C的實驗驗證。非等原子的HECs氧化速率顯著低于等原子比。驗證了我們通過MOO和DFT所提出的降低NbTaTi含量以提升抗氧化性能的成分設計策略。

高熵化設計是提升過渡族金屬碳化物抗氧化性能的有效方法，但各個組元在高熵體系中存在競爭和協同性氧化。因此，厘清各個組元在氧化動力學中所扮演的角色對于抗氧化性能的優化至關重要。本工作通過DFT計算和多目標優化分析了高熵碳化物中各個組元對氧吸附、熱穩定性以及氧化物致密性的影響，并提出一種降低NbTaTi含量的成分設計策略，進一步給出一個具有優異抗氧化性能的組分空間，并被氧化實驗所證實。這種結合DFT計算和多目標優化的理論框架能快速地篩選出具有優異抗氧化性能的組分空間，對HEC抗氧化性能優化具有理論指導價值。

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