3600°C抗氧化！ 华南理工大学团队突破超高温陶瓷材料研发瓶颈
华南理工大学 发表于 2025.6.25| 点击数24
近日，华南理工大学材料科学与工程学院褚衍辉研究员课题组报道了最新研究成果，通过高熵多组元成分设计，同时结合搭建的激光氧化测试平台，成功开发可耐3600℃高温的抗氧化高熵碳化物(Hf, Ta, Zr, W)C材料。该新型超高温陶瓷材料在航空航天、新能源等需耐受极端高温的领域具有广阔的应用前景，突破了相关领域的研究瓶颈。
随着超高声速飞行器、往返式轨道飞行器等先进装备的不断发展，迫切需要研发具有卓越耐高温性能的先进材料。在现有已知材料中，能在2000℃以上稳定服役的材料屈指可数，仅部分难熔合金、碳基复合材料、超高温陶瓷可满足需求。
以上三类材料中，2000℃已逼近难熔合金的耐温极限；碳基复合材料虽然具有更优异的耐温性，如C/C复合材料最高可耐3000℃，但碳材料在370℃有氧环境中便会发生氧化，导致力学性能显著下降；超高温陶瓷是一类熔点大于3000℃的先进陶瓷材料，是目前最有希望在超高温有氧环境中稳定服役的材料，但由于其抗氧化温度始终未能突破3000℃，严重制约了新一代先进空天飞行器热防护系统的开发。
高熵碳化物陶瓷组分是影响其抗氧化性能的关键。为了提升材料相关性能，华南理工大学团队首先自主搭建了超高温激光氧化测试平台。随后，以Hf、Ta、Zr元素为基础，设计了不同组分的高熵碳化物陶瓷，并测试了在2400-3000℃下的抗氧化性能。结果表明(Hf, Ta, Zr, W)C材料在全温域下具有最低的氧化深度，其氧化动力学在2400-3000℃温度段内均遵循抛物线规律，证明其具有优异的宽温域抗氧化性能。
该材料的超高温抗氧化性能主要得益于生成的具有超高熔点的钨合金。相比其他元素，钨元素的表面氧原子吸附能最高，导致氧化难度最大，而除钨以外的其余元素则会优先氧化，并包裹于钨合金表面，进一步阻碍钨合金的氧化。在此原理基础上，钨合金弥散分布于氧化物层，可作为高熔点骨架，提高氧化物黏度，进而有效降低氧化物的高温挥发，阻碍氧气向内部基体渗透。
课题组使用激光考核平台进一步测试了该材料在更高温度下的氧化性能，验证了其可在最高3600℃下展现出色的抗氧化性能，显著优于已报道的其他超高温材料。
相关研究成果以“Exceptional Oxidation Resistance of High-Entropy Carbides up to 3600℃”为题，发表于Advanced Materials上。论文通讯作者为华南理工大学庄磊副教授、褚衍辉研究员；第一作者为华南理工大学博士研究生文子豪、刘译文。该研究受到了审稿人的高度评价，一致认为是超高温材料领域的重大突破。
庄磊、褚衍辉均为华南理工大学材料科学与工程学院教师，主要从事高熵陶瓷材料研究。本成果相关工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广州市基础与应用基础研究基金的资助。
