二次电池高熵电极材料研究进展

对于二次电池电极材料而言,高熵设计可以获得更好的结构稳定性、体相电子电导率以及离子扩散速率。综述了近年来锂离子电池(LIBs)、钠离子电池(SIBs)、钾离子电池(PIBs)和水系锌离子电池(ZIBs)中的高熵改性电极材料,深刻剖析了优越的电化学性能与高熵结构之间的构效关系,系统总结了高熵电极材料的发展现状与挑战,并对高熵材料的优化设计提出了见解,为推动二次电池高熵电极材料的产业化提供参考。

高熵陶瓷:吸波材料设计新策略

微波技术的进步促进了电磁防护技术的发展。吸波材料可以将过剩的电磁辐射以热量形式耗散,因此受到了广泛关注。面对复杂的电磁环境,寻找在1~18 GHz频段内兼具强吸收和宽频吸收性能的吸波材料具有重要意义。目前,吸波材料的设计方法主要包括制备纳米复相材料和掺杂改性。通过将介电损耗型和磁损耗型的材料在纳米尺度复合可以实现两种损耗机制的耦合,但制备工艺复杂、纳米填料分散性难以精确控制、高温热稳定性及抗氧化性差等问题是制约纳米复相材料应用的主要因素。超高温陶瓷具有高温热稳定性及抗氧化性好等优点,但阻抗匹配差使其难以作为吸波材料应用。通过设计和制备含有磁性组元的高熵陶瓷可以使超高温陶瓷材料兼具宽频吸收和强吸收的高效吸波性能。采用高熵设计方法可以同时调节导电性和增强磁损耗能力,为导电性良好的介电型吸波材料提供了调控阻抗匹配的新思路。

高熵化设计:稀土硅酸盐材料关键性能优化新策略

环境障涂层是先进航空发动机高温结构部件用碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)陶瓷基复合材料的关键防护。稀土硅酸盐具有低热膨胀系数、优良的抗水氧/CMAS腐蚀性能以及与硅基陶瓷良好的化学相容性,是目前国际公认的优选环境障涂层体系。常规含单一稀土元素的稀土硅酸盐环境障涂层材料,存在热应力失配、高温相转变和耐腐蚀性能差等问题,尚无法完全满足极端燃气环境中的长寿命服役要求。本综述介绍了为解决稀土硅酸盐环境障涂层的关键性能局限,利用高熵化合物设计方法,针对稀土硅酸盐热学性能(热膨胀系数和热导率)调控、耐CMAS腐蚀性能提升和相结构稳定性优化方面获得的新进展。这些研究进展为稀土硅酸盐材料的创新设计提供了新思路,为其作为下一代环境障涂层的性能突破提供了支撑。

高熵合金设计与计算机模拟方法的研究进展

高熵合金突破了传统的合金设计理论,实现了材料的可合成、可分析、可控制,为合金的发展提供了新思路。高熵合金由于具有超强的耐腐蚀性能、极佳的耐磨性能、优异的抗辐射性能、良好的力学性能等特性,在工业领域具有广阔的应用前景。目前,对于高熵合金设计的研究还存在许多不足之处:(1)高熵合金的基础理论研究尚不完善。在固溶强化机制方面,由于高熵合金的组分众多,很难确定哪种组分是溶剂,哪种组分是溶质;在扩散机制方面,虽然实验已经证明高熵合金的扩散系数低于普通合金,但与吉布斯-安丹姆方程矛盾。这些问题给高熵合金的设计带来不确定性。(2)2011年美国提出了“材料基因组计划”。它是以第一性理论、加速分子动力学、热力学模型等理论,借助现有的信息技术模拟预测新材料性能,最后用实验证明的新材料研发方法。目前,高熵合金在工业应用上有很大的前景。因此,加大高熵合金的高通量计算,完善高熵合金的性能研究,具有重要的实际意义。自高熵合金的概念被提出以来,广大的科研工作者投身到高熵合金的研究工作之中,先后研究了传统高熵合金、难熔高熵合金和复合高熵合金等的组织结构、性能特点和制备工艺,为高熵合金的设计提供了大量的数据支持。此外,“混乱理论”、高熵合金设计参数、第一性原理等理论的提出进一步丰富了高熵合金的理论基础。本文介绍了高熵合金的基本理论和特点,重点论述了高熵合金的设计理论和方法。总结了高熵合金在热力学和动力学上的形成条件,并根据研究现状对高熵合金进行分类,分析了组分元素的种类和配比对高熵合金组织结构以及性能特点的影响,综述了高熵合金计算机模拟方法的基本理论和计算模型,总结了其在性能预测上的应用。最后展望了高熵合金设计的研究方向和发展前景。

双相高熵陶瓷(La_(0.2)Eu_(0.2)Gd_(0.2)Y_(0.2)Yb_(0.2))_(2)Zr_(2)O_(7)的制备与热物理性能

以La_(2)O_(3)、Eu_(2)O_(3)、Gd_(2)O_(3)、Y_(2)O_(3)、Yb_(2)O_(3)和ZrO_(2)粉末为原料,采用高温固相反应法制备(La_(0.2)Eu_(0.2)Gd_(0.2)Y_(0.2)Yb_(0.2))_(2)Zr_(2)O_(7)高熵陶瓷,确定了制备工艺,研究了其显微组织、物相组成以及热物理性能,分析其高温热稳定性。结果表明:在1 500℃烧结5h炉冷条件下,能得到固溶反应完全的双相高熵陶瓷,其呈现烧绿石/萤石双相共存特征,晶粒尺寸在200~800nm,且元素分布均匀;其800℃下的热导率约为8YSZ陶瓷的50%,热膨胀系数与8YSZ陶瓷相当,并具有良好的高温热稳定性。

(Yb_(0.25)Lu_(0.25)Er_(0.25)Y_(0.25))_(2)Si_(2)O_(7)高熵硅酸盐热环境障涂层的性能研究

通过高熵化设计制备了一种新型焦硅酸盐涂层材料(Yb_(0.25)Lu_(0.25)Er_(0.25)Y_(0.25))_(2)Si_(2)O_(7),采用大气等离子喷涂(APS)在碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料(SiC_(f)/SiC-CMCs)表面制备了(4RE_(0.25))_(2)Si_(2)O_(7)一体化热环境障涂层(TEBCs)体系和LaMgAl_(11)O_(19)/Lu_(2)Si_(2)O_(7)热/环境障涂层(T/EBCs)体系。通过研究两种涂层体系的微观结构、热物理性能、水氧腐蚀性能以及热循环寿命等结果发现:APS制备的(4RE_(0.25))_(2)Si_(2)O_(7)涂层从室温到1500℃为稳定的β相,(4RE_(0.25))_(2)Si_(2)O_(7)涂层不存在成分偏析,热导率和热膨胀系数相对Lu_(2)Si_(2)O_(7)涂层有所降低,更适合作为一体化TEBCs使用;(4RE_(0.25))_(2)Si_(2)O_(7)TEBCs体系的水氧腐蚀寿命高于80 h,LaMgAl_(11)O_(19)/Lu_(2)Si_(2)O_(7)T/EBCs体系的水氧腐蚀寿命低于80 h;(4RE_(0.25))_(2)Si_(2)O_(7)TEBCs体系的热循环寿命为168次;高熵化设计使焦硅酸盐涂层CTE适配度提高,断裂韧性增强,进而增加了TEBCs体系的热循环寿命。

共晶高熵合金的研究进展

高熵合金具有高的混合熵、缓慢的扩散和严重的晶格畸变等特性,合金具有简单的组织结构和优异的综合性能,这为开发新型合金体系提供了广阔的发展思路。共晶高熵合金具有流动性好、凝固组织成分相对均匀、铸造缺陷少、组织可调控性等优点,可制备大尺寸高熵合金锭,因此共晶高熵合金的研究促进了高熵合金的工业化发展。概述了共晶高熵合金的国内外研究进展,首先详细介绍了典型共晶高熵合金AlCoCrFeNi_(2.1)的研究现状,如该合金的组织结构特征、力学性能特征及冷热加工变形行为及其变形机制。随后概括了其他共晶高熵合金系的相组成、共晶组织形貌特征及稳定性、性能等方面的研究。随后,概述了共晶高熵合金设计的方法和研究进展,主要包括基于二元合金相图与相图模拟计算的合金设计、基于多元合金混合焓的合金的设计、伪二元合金设计和基于已研究共晶高熵合金无Co元素低成本高性能共晶高熵合金的设计4个方面。最后对未来共晶高熵合金的主要研究方向做了展望。