近日，昆明理工大学材料科学与工程学院金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程研究中心冯晶教授团队汪俊在稀土钽酸盐阻氧性能方面取得重要进展，相关研究成果在国际顶级学术期刊Acta Materialia上以题为 “Unveiling the mechanisms of ultra-low thermal and oxygen-ion conductivity in entropy-stabilized ferroelastic rare-earth tantalates”发表最新研究成果。昆明理工大学为第一作者单位和通讯单位，材料学院汪俊为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学青年基金项目（52402077）的资助。

高温氧腐蚀和热腐蚀一直是热/环境障涂层材料领域亟待解决的问题，为了提高热/环境障涂层的热绝缘性能，通常将其制备成高孔隙率的涂层。然而，分子形式的氧气（O2）和水蒸气（H2O）容易通过气孔和微观裂纹氧化粘结层和基体，导致涂层服役寿命降低 [10]。为解决这一问题，相关研究人员利用多层结构和致密涂层阻提高阻氧性能，然而，这些方法只能阻碍氧分子或水分子通过孔隙的传输。此外，由于大多数热/环境障涂层材料具有较高的氧离子电导率，即使涂层致密，离子形式的O2-或OH-阴离子也能渗入粘结层和基体，造成严重的氧化。因此，为了提高热/环境障涂层的高温阻氧性能和隔热性能，迫切需要开发出同时具有超低氧离子电导率和热导率的热/环境障涂层材料。

图1 航空航天用热/环境障图层从材料失效示意图

本工作实现阻氧和隔热的新思路：以本征低热导率的稀土钽酸盐为研究对象，一方面通过制备致密的稀土钽酸盐陶瓷材料，阻碍氧分子沿微米尺度缺陷的传输，同时，超低热导率确保高致密陶瓷仍有较高的热绝缘性能；另一方面，通过高熵策略低其氧离子电导率，阻碍氧离子沿纳米尺度缺陷的传输。实验结果表明，高熵稀土钽酸盐的氧离子电导率比商用YSZ降低了3-5个数量级，热导率降低了65.3% (1200℃)。这将加快稀土钽酸盐在航空发动机、燃气轮机、火箭发动机和高超声速飞行器等大国重器的工程应用打下坚实的基础，也为其它热/环境障涂层材料体系的性能优化提供借鉴。

图2高熵稀土钽酸盐超低氧离子电导率机制

图3高熵稀土钽酸盐超低热导率机制

Jun Wang, Qianqian Jin, Peng Wu, Zifan Zhao, Zhenhua Ge, Xiaoyu Chong, Jing Feng∗, et al. Unveiling the mechanisms of ultra-low thermal and oxygen-ion conductivity in entropy-stabilized ferroelastic rare-earth tantalates, Acta Materialia, 2024, 283: 120523.

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120523