熔点

基于对溶质影响氧化物熔点规律的深入理解，研究选取符合高熔点陶瓷结构特征的ZrO2与HfO2作为母体氧化物，并选定离子半径较小、比Zr/Hf多一个价电子并具有5d电子的Ta作为关键掺杂元素，成功合成了Zr-Ta-O（ZT）与Hf-Ta-O（HT）两种新型固溶体体系。

图1对熔点超过3000℃的新型氧化物陶瓷体系需求迫切

在极端高温环境中，碳化物与硼化物基的超高温陶瓷及其复合材料作为新一代热防护材料，其表面形成的氧化物陶瓷保护层是确保热防护系统安全运行的关键屏障。

未掺杂HfO2实测熔点为2866℃，处于文献报道的范围（2800–2900℃）内，而HT15样品熔点达到3006℃，突破了3000℃关键阈值，成为首个实验验证的、熔点超过3000℃的非放射性氧化物材料。

随着服役温度的不断提高，超高温热防护材料的服役温度已被推到3000℃以上，这一温度已经超越所有已知非放射性氧化物的熔点极限，因此，开发熔点超过3000℃的新型氧化物陶瓷体系已成为当前工程领域的迫切需求。

图5（a）锆基固溶体氧化物的熔点与价电子浓度的关系.

实际熔点测试结果显示未掺杂ZrO2熔点为2632℃，与文献报道范围（2677–2717℃）基本吻合，ZT12样品的熔点提升至2885℃，较基体高出253℃。

近日，苏州实验室周延春教授团队系统总结了已知二元过渡金属氧化物体系的熔点与结构特征，揭示了影响氧化物熔点的关键物理机制。

图2氧化物陶瓷熔点与其（a）价电子浓度、（b）阳离子半径以及（c）阳离子d电子轨道特征之间的关系

然而，影响熔点提升的机制长期悬而未决，严重阻碍了高熔点氧化物陶瓷的论文设计和实验验证。

苏州实验室周延春/哈尔滨工业大学张幸红等：突破3000℃极限—高熔点氧化物陶瓷设计新纪元-清华大学出版社学术期刊的博文苏州实验室周延春/哈尔滨工业大学张幸红等：突破3000℃极限—高熔点氧化物陶瓷设计新纪元精选

如图1所示，呈现高熔点的氧化物具有高晶体结构对称性、价电子浓度介于2.4-2.7之间、配位数为8、并具有较小的阳离子半径。

这一策略确立了一种通用型材料设计范式，为实现更高熔点氧化物的开发提供了明确路径。

在本研究中，周延春教授团队创新性地提出了一种微量掺杂策略：在保持晶体对称性的基础上，通过选择性引入特定阳离子，突破氧化物3000℃的熔点极限。

在已知氧化物中，HfO2几乎满足上述全部结构判据，成为除放射性ThO2外熔点最高的氧化物，然而其熔点仍距3000℃这一关键阈值存在约200℃的差距。