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　　1、研究背景：
 

　　高熵陶瓷作为一种新型的陶瓷材料，相较于单一组元陶瓷，具有更优的隔热性、高温稳定性、机械性能和化学惰性等性能，在高端切削制造和航空航天隔热防护领域有广泛的应用前景。其中，热导率作为高熵陶瓷应用于隔热材料的关键性能指标之一，其在高熵陶瓷中的降低机理至今尚未完全明确。尽管之前的研究提出了包括质量波动、晶格畸变、高熵效应在内的多种潜在机理，这些热导率降低机理仍然缺乏充分的实验和理论支持。因此，揭示高熵陶瓷热导率降低的内禀机制，能为设计和开发具有超低热导率的高熵陶瓷材料提供科学依据，从而进一步推动高熵陶瓷在隔热材料领域的应用。
 

　　2、文章概述：
 

　　近日，华南理工大学褚衍辉教授、俞呼雷副教授课题组采用分子动力学和球差透射电镜技术相结合，揭示了高熵陶瓷的晶格畸变阻碍热输运机制。本研究通过机器学习势驱动的分子动力学模拟，系统性地探讨了晶格畸变和质量波动在高熵二硼化物(HEB)对晶格热导率的作用。通过控制变量的方式，研究人员分别调控晶格畸变和质量波动，设计了两组不同的HEB。进一步的理论计算和实验结果证明，晶格畸变的加剧对高熵陶瓷热导率的降低起主导作用，而质量波动对热导率的影响被证明是微不足道的。此外，作者还进一步通过理论计算表明，晶格畸变通过引起应变场波动和键强度波动，显著增强声子散射，从而阻碍声子(晶格)热输运。这一发现不仅揭示了高熵陶瓷热导率的降低机理，还为今后设计开发具有超低热导率的高熵陶瓷材料提供了理论依据。
 

　　3、图文导读：
 

 

　　图1不同晶格畸变和质量波动HEB的设计。a. 传统机理中晶格畸变和质量波动对声子散射影响的示意图。b.不同HEBs的晶格畸变(U)和平均质量(M)。c. 不同HEBs的质量波动(ΓM)和M。d. HEB-L1−L4组的ΓM和M。e. HEB-M1−M4组的ΓM和M。f. HEB-L1−L4组U和晶格热导率(klat)。g. HEB-M1−M4组的U和klat。
 

 

　　图2 所制备的HEB-L1−L4样品晶体结构和形貌分析。a. 所制备的HEB-L1−L4和HEB-M1−M4样品的X射线衍射(XRD)图谱。b. 所制备的HEB-L1样品的断裂表面扫描电子显微镜图像。c. 所制备的HEB-L1样品的高分辨率透射电子显微镜图像及对应的FFT图案。d. 所制备的HEB-L1样品的扫描透射电子显微镜图像及相应的能量色散光谱成分图。
 

 

　　图3 XRD和高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像的晶格畸变分析。a. 所制备的HEB-L1和HEB-L4样品选定特征峰的半高宽(FWHM)。b. 从XRD获得的HEB-L1−L4样品的晶格应变(𝜖)。c. HEB-L1−L4样品的均方根原子位移(RMSAD)。d. 所制备的HEB-L1样品沿[100]方向的HAADF-STEM图像及相应的原子位移。e. 所制备的HEB-L4样品沿[100]方向的HAADF-STEM图像及相应的原子位移。f. 所制备的HEB-M1−M4样品的𝜖。g. HEB-M1−M4样品的RMSAD。
 

 

　　图4 热导率测试及晶格畸变对电子热导率的影响机制。a. HEB-L1−L4样品的总热导率(ktot)。b. HEB-L1−L4样品的电导率(𝜎)。c. HEB-L1−L4样品的电子热导率(kele)。d. HEB-L4理想结构与畸变结构的电子态密度(DOS)。e. HEB-L4理想结构与畸变结构的kele/Γ局部电荷密度。f. HEB-L4理想结构与畸变结构的值随电子载流子浓度(n)的变化。g. 晶格畸变对kele的影响示意图。h. 空位缺陷对kele的增强作用示意图。i. 所制备的HEB-L1−L4样品的空位浓度(Nv)。
 

 

　　图5 晶格畸变驱动的klat减少机制。a. HEB-L1−L4样品的klat。b. HEB-L1的声子色散谱。c. HEB-L1的声子态密度(PhDOS)和频率累积klat。d. HEB-L1−L4的声子速度。e. HEB-L1−L4的德拜温度(θD)。f. HEB-L1−L4的应力场波动(Γs)。g. HEB-L1−L4的化学键强度波动(Γb)。h. 晶格畸变通过应力场波动降低klat的机理图。i. 晶格畸变通过化学键强度波动降低klat的机理图。
 

　　4、结论：
 

　　本研究通过理论计算模拟和实验验证，揭示了高熵陶瓷中晶格畸变阻碍热输运机制，即晶格畸变通过增强应变场波动和键强度波动，显著加剧声子散射，从而导致热导率降低。相较之下，传统认为的质量波动机制对高熵陶瓷的热导率无明显影响。此外，晶格畸变还通过与空位竞争，协同调控电子热导率。研究成果对于设计超低热导率高熵陶瓷材料提供了重要的理论依据。