综述：双相高熵超高温陶瓷：AI辅助材料设计、加工技术及航空航天应用综述

《Journal of Alloys and Compounds》：Dual-Phase High-Entropy Ultra-High Temperature Ceramics: A Comprehensive Review on AI-Assisted Materials Design, Processing Technologies, and Aerospace Applications

　　

摘要
能够承受极端热、机械、摩擦、氧化和辐照环境材料的设计与开发，对于下一代航空航天、能源和防御系统而言，仍然是一个重大挑战。双相高熵超高温陶瓷（DPHE-UHTCs），即具有熵稳定碳化物和硼化物相的先进结构陶瓷，因其卓越的性能而近期备受关注，包括高硬度、热稳定性、抗氧化性、耐磨性和损伤容限。与传统单块超高温陶瓷相比，DPHE-UHTCs 利用相界工程、成分复杂性和熵稳定来实现多功能性能提升和协同强化，这通常超过了混合定律的预期。材料中同时存在碳化物和硼化物相，为晶界化学、扩散动力学、相稳定性、热传输、氧化行为和抗断裂性方面的微观结构设计开辟了新的可能性。据报道，DPHE-UHTCs 可能达到接近理论致密度，硬度值为 20-30 GPa，弹性模量超过 500 GPa，断裂韧性增加，并且在高于 2000°C 的温度下具有令人印象深刻的结构稳定性。然而，先进的加工策略和二次增强相已实现了具有高机械可靠性和环境耐久性的致密微观结构。本综述通过比较热力学稳定机制、加工路线、微观结构演化、机械和摩擦学行为、抗氧化性以及人工智能辅助材料设计，批判性地评估了 DPHE-UHTCs 的最新发展，同时确定了当前的局限性和未来的研究重点。此外，还重点介绍了正在迅速流行以加速材料发现的高级计算方法，包括计算热力学与相图（CALPHAD）、机器学习、密度泛函理论和高通量材料设计。识别关键科学挑战、未解决的研究问题和前瞻性研究方向，旨在促进可扩展、高性能 DPHE-UHTCs 的发展，用于极端环境应用。

引言
由于下一代核反应堆、可重复使用航天器和高超声速飞行装置等技术的迅速进步，在极端工况下保持结构完整性和功能可靠性的材料需求迫切 [1], [2], [3]。这些应用中经常存在高机械应力、恶劣的氧化条件、复杂的摩擦相互作用、严重的热梯度和超过 2000 °C 的温度。熔点限制、微观结构不稳定性、氧化引起的劣化和高温蠕变变形是镍基高温合金和难熔金属系统等传统工程材料的常见局限性 [1], [2]。由于其超高的熔点、卓越的硬度、化学惰性和高热稳定性，超高温陶瓷（UHTCs）已成为极端环境应用中最有前景的材料家族之一 [1], [2], [3], [4], [5]。在众多已研究的 UHTCs 中，过渡金属碳化物和硼化物（包括 HfC、TaC、ZrC、TiC、HfB?和 ZrB?）因其卓越的耐火性能和对高温劣化的抗性而引起了显著兴趣 [1], [4], [5]。然而，尽管常规单块 UHTCs 具有优异的机械和热特性，但它们仍存在几个固有的缺点，包括低断裂韧性、有限的热震抗性、高温下易氧化以及难以实现完全致密化的加工挑战 [3], [5]。这些困难促使科学家探索新的材料设计策略，以同时增强热稳定性、机械性能和环境耐久性。

包含多种主元素且比例接近等原子比的高熵材料，彻底改变了材料研究 [6], [7], [8]。氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物和碳氮化物是高熵陶瓷（HECs），它们应用了最初为金属系统描述的高熵理念 [6], [7], [8], [9], [10]。构型熵稳定、显著的晶格畸变、迟缓的扩散动力学和协同的成分相互作用通常表征着 HECs [6], [7]。这些效应增强了硬度、抗氧化性、热导率、相稳定性和环境耐久性 [6], [8], [9], [10]。高熵碳化物（HECs）和高熵硼化物（HEBs）是有前途的超高温候选材料，因为它们结合了过渡金属碳化物和硼化物的固有耐火性与成分复杂性 [8], [9], [10], [11], [12]。几项研究表明，熵稳定的碳化物和硼化物系统表现出 25–35 GPa 或更高的硬度值，弹性模量超过 500 GPa，改善了抗氧化性和增加了热稳定性 [8], [11], [12]。然而，许多单相高熵陶瓷仍然受到硬度与抗断裂性之间传统权衡的制约。这些材料虽然强度高且刚度大，但其有限的损伤容限可能会限制其在苛刻热机械条件下的使用 [3], [8]。

成分复杂材料领域的最新进展表明，先进材料的整体性能不仅受化学成分影响，还受相组成、微观结构架构和界面特性的影响。最近的研究强调了高熵材料中相结构、磨损行为和环境劣化之间的显著关系 [145]。同样，利用第二相或沉淀强化的架构显示出增强的耐磨性，这是由于强化协同效应和容纳变形的能力所致 [148]。这些进展为研究超高温陶瓷中的双相架构提供了更广泛的材料科学基础，在这些架构中，可以通过工程化协同相来同时增强机械完整性、损伤容限和环境稳定性。

最近的研究重点在于克服这些限制，设计和开发利用界面现象和相界工程实现性能协同改善的多相高熵陶瓷结构 [11], [12], [13], [14], [15]。由于能够在单一的微观结构框架内结合两类陶瓷的有利特性，主要由熵稳定碳化物和硼化物相组成的双相高熵超高温陶瓷（DPHE-UHTCs）在新材料领域引起了极大关注 [11]。秦等人的开创性工作揭示了一种超越传统混合定律预测的协同强化效应，表明双相架构可以达到接近理论密度，同时表现出超过其组成相加权平均值的硬度 [11], [12], [13], [14], [15]。如第 3 节所述，加工方法对于控制 DPHE-UHTCs 的微观结构和整体性能至关重要。

最近的研究中使用了 SiC 等二次增强相，以进一步提高 DPHE-UHTC 性能；然而，其氧化和强化过程将在以下部分讨论 [16], [17], [18]。除了机械性能外，最近的研究还集中在 DPHE-UHTCs 的摩擦学和氧化行为上 [18], [19], [20], [21]。然而，关于这些保护性氧化层的长期稳定性、其对循环热载荷的响应以及在恶劣工况下的行为知之甚少。计算材料研究的最新发展加速了 DPHE-UHTCs 的开发。近年来，CALPHAD、密度泛函理论（DFT）、机器学习（ML）和人工智能（AI）的进展显著加速了相稳定性的预测和 DPHE-UHTC 成分的优化 [22], [23], [24], [25]。

借助这些数据驱动的方法，可以加速新材料的创建并降低实验成本。多相、高熵系统的复杂性以及可靠数据的匮乏仍然是预测建模的主要障碍。尽管该领域取得了快速进展，但关于 DPHE-UHTCs 的当前研究仍存在几个主要空白。几项研究的结果显示出热稳定性、抗氧化性和硬度的改善；然而，由于元素成分、加工技术、烧结条件和测试方法的不同，很难进行直接比较。成分、加工、微观结构和特性之间的联系尚未明确界定，许多研究侧重于个别性能标准。迄今为止，关于强化过程、相稳定性、氧化行为和时间可靠性的研究显示出相互矛盾的结果。这些限制凸显了需要整合计算 - 实验方法、统一的表征方法和系统对比研究，以提供下一代 DPHE-UHTCs 可靠的设计原则。尽管在过去十年中取得了显著进展，但仍有许多关键问题未解决。目前，我们对影响熵稳定、元素分配、相平衡、氧化行为、热传递和长期环境耐久性的热力学过程了解有限。其他挑战包括标准化测试的早期阶段、部件级可靠性评估以及大规模生产方法。因此，对 DPHE-UHTCs 的最新进展进行综合和批判性评估是必要的。鉴于其在航空航天及其他极端环境应用中的潜力，本工作批判性地探讨了 DPHE-UHTCs 的以下方面：加工方法、微观结构演化、机械和摩擦学行为、抗氧化性、人工智能辅助材料设计以及未来研究目标。

章节摘要
**热力学基础与熵稳定方法**
双相高熵超高温陶瓷（DPHE-UHTCs）由于其独特的热力学特性，其性能显著优于传统的二元和三元陶瓷系统。与传统超高温陶瓷不同，后者的相形成主要由焓相互作用控制，DPHE-UHTCs 的稳定性由构型熵、混合焓、晶格畸变、扩散动力学和局部化学...

**制造方法与加工技术**
由于难熔碳化物和硼化物具有高熔点及低自扩散系数，传统的常压烧结通常导致致密化不足和过度晶粒生长 [41], [42]。因此，为了制造对环境更友好且机械性能更好的 DPHE-UHTCs，需要现代化的固结方法。在高压致密化方法中，放电等离子烧结（SPS）是高熵碳化物、硼化物和双相系统最广泛使用的制造方法...

**相稳定性与微观结构演化**
复杂的微观结构设计和相稳定性是双相高熵超高温陶瓷（DPHE-UHTCs）卓越性能的重要组成部分。与传统单块 UHTCs 不同，DPHE-UHTCs 是在单一的微观结构框架内由两种熵稳定难熔相共存形成，通常是一种高熵碳化物（HEC）和一种高熵硼化物（HEB）[56], [57], [58]。机械和环境...

**强化机制与机械性能**
卓越的机械性能是双相高熵超高温陶瓷（DPHE-UHTCs）在极端条件应用中日益受欢迎的主要因素。与传统单块 UHTCs 通常表现出硬度与抗断裂性之间的权衡不同，DPHE-UHTCs 提供了前所未有的高硬度、增加的弹性模量、改善的断裂韧性和增强的结构可靠性 [71], [72], [73]。有几个...

**磨损机制与摩擦学性能**
双相高熵超高温陶瓷（DPHE-UHTCs）的摩擦学性能最近引起了极大关注，其可能适用于高温、磨损、侵蚀和严重滑动磨损条件。航空航天推进系统、高超声速飞行器以及热防护系统都使用承受严重摩擦学条件的部件，包括高接触应力、恶劣的氧化环境和高温 [91], [92], [93]。磨损...

**环境稳定性与抗氧化性**
除了机械和摩擦学性能外，双相高熵超高温陶瓷（DPHE-UHTCs）在高温下的抗氧化性和环境劣化抗性也决定了其在恶劣环境中的长期实用性。先进推进部件、火箭喷嘴、高超声速前缘和航空航天热防护系统通常在 1600–2000 °C 的高度氧化环境中运行 [101], [102], [103]。在这些情况下...

**计算方法与人工智能辅助材料设计**
与传统的实验材料相比，双相高熵超高温陶瓷（DPHE-UHTCs）庞大的成分设计空间令人望而却步。与传统陶瓷系统通常只使用少数几种组成元素不同，DPHE-UHTCs 中可能有五种或更多的主金属元素分布在碳化物和硼化物相之间 [116], [117], [118]。由此产生的数百万种可能的元素组合由于...

**未来展望、挑战与航空航天应用**
双相高熵超高温陶瓷（DPHE-UHTCs）的出现为创造能够在苛刻氧化、机械、热和摩擦环境中工作的结构材料开辟了一条新途径。由于与常规 UHTCs 不同，DPHE-UHTCs 表现出熵稳定、多相强化、缓慢扩散和卓越的环境耐久性，因此几种能源和航空航天应用可能从中受益 [126], [127], [128]。由于...

结论
本文总结了双相高熵超高温陶瓷（DPHE-UHTCs）这一用于极端环境应用的下一代结构材料的近期重要进展。深入分析了热力学设计、机械性能、抗氧化性、相稳定性、相演化和先进制造技术的最新发展。此外，还介绍了包括 CALPHAD、密度...

未引用的参考文献
[64], [70]

资金
本研究未收到任何资助机构的专项拨款。

CRediT 作者贡献声明
Kumar Nagavelly：写作 - 审阅与编辑，资源，形式分析，数据管理。Atla Sridhar：写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿，调查，概念化。Srinivas Pendyala：可视化，软件，资源，方法论。Lakshmi K. Prasanna：可视化，形式分析。Raju CH. V Satyanarayana：验证，监督，资源，方法论。

利益冲突
作者声明他们没有已知的可能影响本文报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

作者报告不存在潜在的利益冲突。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本报告中所述的工作。
Atla Sridhar|Nagavelly Shiva Kumar|Srinivas Pendyala|K. Prasanna Lakshimi|CH.V.Satyanarayana Raju
印度特兰加纳邦海德拉巴鲁德拉姆 Gitam 技术学校机械工程系，502329