无序的新境界：高熵陶瓷

人类社会的进步与发展对材料性能提出了越来越高的要求，这是激励人们探索新的材料设计理论并开发新材料体系的原动力。近年来，性能优异的新材料不断涌现，并相继成为研究热点，由高熵合金发展而来的高熵陶瓷就是典型代表之一。

什么是高熵陶瓷？

熵是什么？

 熵是热力学中表征物质混乱程度的参量，其概念由克劳修斯(T.Clausius)于1854年提出。熵越低，系统越稳定有序；熵越高，系统越无序混乱。

系统因其内部构型的无序所产生的熵叫作构型熵，材料的构型熵主要与其所含组分的数目以及各组分所占的摩尔分数有关，即材料的组成成分越多，各组分所占的摩尔数越接近，材料的构型熵越大。高熵陶瓷是由多个组元（一般大于5）以等比例或近等比例相互固溶而形成的一类无机非金属材料，故其结构成无序状态。

高熵陶瓷的性能及应用

到目前为止，高熵陶瓷的大家族中已经涵盖了碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、硫化物、简单氧化物、稀土硅酸盐、稀土磷酸盐等，涉及的应用领域包括高温隔热、高温防热、抗高温腐蚀和氧化、超硬加工与耐磨涂层、生物相容涂层、电磁吸收与屏蔽、催化与裂解、超级电容器、锂离子电池、热电转化、氧离子传感器等。

高熵陶瓷的制备方法

最早的高熵陶瓷是利用固相反应法制备的，首先通过球磨的方法将原料充分混合并发生部分固溶，然后将混合好的原料置于高温下充分焙烧，以形成均匀且单一的高熵相。为了防止冷却过程中，已经形成的高熵相脱溶、分相或析出第二相，人们通常使用淬火等快速冷却的方法制备。固相反应法具有反应原理简单、产量高、设备要求低等优势，是目前最常见的制备高熵陶瓷的方法。但是固相反应法也存在明显的不足，即反应温度较高、反应时间久、产物比例难以准确控制、制备过程中极易引入杂质等缺点。

为了解决这些问题，借鉴前驱体制备陶瓷的方法，人们开发出了一种由前驱体出发，在相对温和的条件下合成高熵陶瓷的方法，即通过溶胶-凝胶法、反向共沉淀等方法，实现原料的原子级别混合，从而降低合成高熵材料所需要的能垒，随后再在相对较低的温度进行充分焙烧以去除多余的交联剂、沉淀剂或溶剂，从而实现高熵陶瓷的低温合成。具有反应条件温和、产物粒径可控、产物更加纯净等优势。但是前驱体热解法存在产率较低、工艺复杂、设备要求高、产物颗粒再烧结困难等问题。

除此之外，近年来其他新型合成高熵陶瓷的方法如水热法、电弧熔炼法、声波辐射辅助法、反应闪光烧结法等也陆续出现，高熵陶瓷的制备方法正向着多元化，实用化发展。

高熵陶瓷的机遇与挑战

自从2015年第一篇关于块状高熵氧化物的文章开始，近几年高熵陶瓷的研究成果激增，至今有关高熵陶瓷论文多达400余篇，所涉及的体系也从原来的氧化物体系发展到现在的多种体系。

作为陶瓷界的新星，高熵陶瓷成分复杂且研究体系庞大，这给材料设计和制备带来了巨大的挑战。与此同时，它还具有组分调节空间巨大、熵效应独特以及材料性能可调控等优点，是材料领域中一个尚待开采的富矿。目前，高熵陶瓷的研究尚处于起步阶段，大量工作聚焦于成分设计、单相形成能力、制备方法、基本性能等方面，还存在诸多问题亟待解决，如高熵合金的四个核心效应在高熵陶瓷中的普适性尚待验证，更精准的成分设计理论和单相形成能力的统一判据有待建立，高熵陶瓷的组分-微结构-性能之间的关系需要挖掘等。