仿生高熵全陶瓷材料：具有连续网络结构的强韧化设计与高温性能突破

针对传统结构陶瓷强韧性能难以兼得、高温稳定性不足的难题，中国科学院团队通过高熵组分工程策略，成功开发出具有Cr7C3塑性相连续网络分布的(Hf,Zr,Ta,Nb,Ti,Cr)C基高熵陶瓷。该材料在室温下展现12.5±1.5 MPa·m1/2的断裂韧性和613±52 MPa的抗弯强度，1300℃仍保持97%强度保留率，为高温应用场景下的仿生陶瓷设计提供了新范式。

　　

在极端环境应用领域，结构陶瓷材料长期面临"强度-韧性悖论"的困扰。虽然陶瓷因其强化学键作用具备优异的高温强度和耐磨性，但固有的脆性特征往往导致灾难性断裂，严重制约其在航空航天、先进制造等高温场景的应用可靠性。自然界中珍珠母的"砖-泥"结构和海绵骨的三维连续网络结构为材料科学家提供了重要启示，但现有仿生陶瓷面临两大瓶颈：聚合物基材料在200℃以下就会软化失效，金属增强体系也难以承受1000℃以上高温。更关键的是，能在高温下展现塑性变形的陶瓷相极为稀缺，且传统方法难以实现塑性相的均匀网络化分布。

针对这些挑战，中国科学院的研究团队创新性地将高熵组分工程策略与仿生设计理念相结合，通过精确调控Cr₇C₃塑性相在(Hf,Zr,Ta,Nb,Ti,Cr)C高熵碳化物(HEC)基体中的空间分布，成功制备出具有连续网络结构的仿生高熵全陶瓷材料。这项突破性成果发表在《Nature Communications》上，为解决高温结构陶瓷的强韧化难题提供了全新方案。

研究采用超快速高温合成(UHTS)制备HEC/Cr₇C₃核壳中间粉末，结合放电等离子烧结(SPS)实现致密化。通过原位透射电镜压缩测试、分子动力学(MD)模拟和力学性能表征等技术手段，系统研究了材料的微观结构演变、变形机制和力学行为。特别值得注意的是，团队开发了基于神经演化势(NEP)的机器学习力场，精确模拟了Cr₇C₃在变形过程中的原子尺度演化。

研究结果部分，"HEC/Cr₇C₃全陶瓷的制备"小节揭示了材料独特的微观结构特征：腐蚀后的样品呈现完全致密的连续网络结构，高角环形暗场像(HAADF-STEM)显示Cr元素在明亮相中富集形成三维贯通网络，而HEC硬质相保持洁净的晶界且无非晶相存在。这种结构得益于热力学计算指导下的合成路线设计，使Cr₂O₃优先与碳反应生成Cr₇C₃而非进入HEC固溶体。

"Cr₇C₃相的变形行为与机制"部分通过原位压缩实验取得重要发现：Cr₇C₃亚微米柱体在压缩过程中可承受30.8%的工程应变而不破裂，远高于HEC相9.4%的断裂应变。高分辨分析表明，这种非凡的塑性源自多重纳米剪切带的形成，其中1-2nm厚的剪切带内含有大量晶体缺陷，而周围区域保持完好结晶。分子动力学模拟进一步阐明，Cr₇C₃通过六元环内Cr-C键的选择性断裂和重构实现塑性变形，这与HEC相中化学键的同步断裂形成鲜明对比。

"HEC/Cr₇C₃全陶瓷的力学性能"部分展示了材料的卓越性能：当Cr₇C₃含量为25%时，材料同时获得最优的断裂韧性(12.5±1.5 MPa·m^1/2)和抗弯强度(613±52 MPa)。裂纹扩展观察揭示了多重增韧机制：未断裂的Cr₇C₃韧带桥接裂纹、塑性区耗散能量以及裂纹沿HEC/Cr₇C₃界面偏转。特别值得注意的是，材料在1300℃仍保持594±53 MPa的抗弯强度，97%的强度保留率创下仿生陶瓷的新纪录。

研究结论部分强调，这项工作通过高熵组分工程策略成功实现了塑性陶瓷相的连续网络化分布，突破了仿生陶瓷的高温应用瓶颈。Cr₇C₃相独特的剪切带塑性变形机制不依赖特定晶向，为设计更高温度下使用的仿生陶瓷提供了新思路。该材料体系在保持陶瓷固有高温优势的同时，兼具金属般的损伤容限，在航空发动机热端部件、高温切削工具等领域具有重要应用前景。研究团队建议，未来可通过筛选更高熔点的塑性陶瓷相，进一步拓展这类材料的温度使用极限。