高熵萤石氧化物：新型设计理念与研究进展

来自 实验室仪器网

《先进陶瓷杂志》最近发表的一项研究提出了一种新的设计策略，重点关注平均阳离子半径和氧空位浓度，从而发现了新的HEFO成分。这种新的设计方法为开发具有定制性能的HEFO以用于热防护应用提供了一条有希望的途径。这项研究由北京交通大学和华北电力大学的科学家进行。

最近的研究表明，阳离子半径的标准偏差、构型熵和Ce4+的稳定性等因素会影响单相高熵萤石氧化物(HEFO)的形成。然而，这些观察到的模式仅限于特定的合成材料系统，并且具有明显的限制。此外，这些材料中引入的元素范围相对较窄，限制了充分利用高熵材料及其广泛的成分多样性的优势的能力。

北京交通大学机电控制工程学院科研人道：“合成的HEFOs和掺杂全稳定化氧化锆稳定机理的启发，我们认为平均阳离子半径（r）和氧空位浓度（Ovac）应该是影响HEFOs形成的重要因素。”

选择 (Ce 0.2 Zr 0.2 Hf 0.2 Sn 0.2 Ti 0.2 )O 2作为主要对象，并使用CaO引入氧空位。首先研究了CaO含量对单相 (Ca x (Ce 0.2 Zr 0.2 Hf 0.2 Sn 0.2 Ti 0.2 ) 1−x )O2−δ (x =0–0.3) 形成能力的影响。然后，在两种单相组合物（Ca x (Ce 0.2 Zr 0.2 Hf 0.2 Sn 0.2 Ti 0.2 ) 1−x )O 2−δ（x = 0.2 和 0.22））附近进行网格搜索，系统地研究r和O vac对单相（Ca x Ce y1 Zr y2 Hf z Sn z Ti z）O 2−δ形成能力的影响。

发现适当增加r和引入Ovac均有利于HEFO的成形性。上述研究结果在基于价数组合策略设计的三种新型HEFO中得到了进一步验证，三种新型HEFO由+3至+6不同价数的元素组成。

电绝缘材料中的热能主要通过声子传输，声子的运动主要受到各种声子散射机制的阻碍，包括声子-声子相互作用、晶界散射和缺陷散射。

研究表明，高熵萤石氧化物（HEFO）的低热导率可归因于大量氧空位的存在，以及由其化学复杂性引起的质量波动和应力场变化。

基于研究成果，提出了一种新的低热导率HEFO设计方法。这种方法涉及两个步骤：首先，根据价数组合和元素性质确定元素组合；其次，在能够形成HEFO的r和Ovac范围内，应尽可能增加质量无序和尺寸无序，并将Ovac调整到防止团聚的水平。

这种方法强调仔细考虑组合物中高价阳离子的含量。这是因为高价阳离子通常具有相对较小的半径，并且它们的引入会导致Ovac的减少，这种新的设计策略将有助于扩展HEFO成分并进一步研究性能，同时还为其他高熵氧化物的成分设计提供宝贵的见解。制备的HEFO具有低热导率的特点，有望在热防护领域得到应用。

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