综述：高熵陶瓷的最新进展：设计原理、结构特征与新兴性能

这篇综述系统梳理了高熵陶瓷（HECs）领域近五年的突破性进展，重点探讨了其熵稳定机制（高熵效应、晶格畸变等）、多组分设计策略（氧化物/非氧化物体系），以及在极端环境下的机械性能（如断裂韧性KIC）、热管理（低热导率κ）和能源转换（如固态电池电极、催化活性位点调控）等应用潜力，为新型高性能陶瓷开发提供了理论框架。

　　

高熵陶瓷的概念与特征

高熵陶瓷（HECs）的核心理念源自高熵合金（HEAs），通过五种以上主元在相同Wyckoff位点的无序占据实现熵增稳定。其晶体结构复杂性远超传统陶瓷，如岩盐结构（MgCoNiCuZn）O和萤石型（CeZrLaSmNdY）O_2-δ。计算表明，四元至六元等摩尔固溶体的构型熵ΔS_conf可达1.4R-1.8R（R为气体常数），而晶格畸变指数（LDI）和价电子浓度（VEC）成为预测单相形成的关键参数。

理论设计策略

稳定性预测：熵-焓平衡因子Ω和无序焓熵描述符（DEED）成功指导了（HfMoNbTaZr）B₂等材料的合成。机器学习模型通过原子半径差δ和电负性差Δχ等特征，将HEC合成可行性预测准确率提升至93%。
性能优化：价电子浓度（VEC）调控使（TiVNbTaW）C_x的硬度H达21 GPa，而碳空位浓度调节可增强塑性。第一性原理计算揭示，高VEC（≥9.4）促进金属态电子重杂化，提升断裂韧性至5.89 MPa·m^1/2。

材料体系创新

氧化物：

• 简单氧化物：（EuErLuYYb）₂O₃通过高熵设计将热导率降至Y₂O₃的23.8%，而（YLaNdSmYb）₂O₃氧阻隔性能提升3倍。
• 复杂氧化物：钙钛矿（LaCr_0.2Mn_0.2Fe_0.2Al_0.2Ga_0.2）O₃展现Griffiths相磁性，尖晶石（CrMnFeCoNi）₃O₄薄膜居里温度T_C>873 K。

非氧化物：

• 碳化物：（WTaNbZrTi）C通过亚稳ZrO₂相变实现裂纹偏转，硬度达18.7 GPa。
• 硼化物：（Hf_0.28Zr_0.28Ta_0.28Sc_0.16）B₂氧化后形成（Zr,Sc）O₂-B₂O₃复合层，耐氧化性提升40%。

性能突破与应用

机械性能：激光熔覆（AlCrNbTaTi）O₂涂层硬度达13.58 GPa，比传统Al₂O₃提升18%。
能源转换：双钙钛矿La₂(CoNiMgZnNaLi)RuO₆在碱性条件下HER过电位仅40.7 mV，稳定性超82小时。
介电储能：钨青铜结构（SrBaPbLaNa）Nb₂O₆实现11.0 J/cm³可恢复能量密度，效率达81.9%。

挑战与展望

当前研究需突破多组分扩散动力学限制，开发超快烧结（如UPS 3分钟致密化）等新工艺。原子级表征技术（如4D-STEM）和生成式机器学习将加速揭示构效关系，推动HECs在核废料封装、太空热防护等极端场景的应用。