近日，哈工大​9428cn太阳集团古天乐周玉院士团队王亚明教授课题组在高温辐射热防护陶瓷材料领域取得重要进展。团队提出了一种数据驱动策略与高熵工程协同设计的材料研发新范式，成功开发出高熵稀土钽酸盐 (Nd0.2Sm0.2Gd0.2Dy0.2Y0.2) 3TaO7 (NSGDYTO)辐射热防护陶瓷，在极端高温下实现了对热辐射与热传导的同步抑制。相关成果以“Extraordinary thermal radiation suppression enables high-entropy oxide ceramics for ultrahigh-temperature protection up to 2000 K”为题发表在《先进功能材料》 （Adv. Funct. Mater.）上。

通过调整氧化物陶瓷的化学组分与微观结构进而调控热传输过程，对先进能源及航空航天系统的高温热防护具有重要意义。随着布雷顿循环系统工作温度升高，其表面部件需承受极强的对流热冲击，并面临显著的红外辐射穿透风险。在此类极端工况下，辐射传热贡献显著增加，单纯依赖声子传导调控已难以满足隔热需求。因此，高温热防护陶瓷需兼具低固体热导率、低红外透过率和长期高温稳定性。

陶瓷材料的辐射传热行为由红外反射、吸收和透射共同决定。根据基尔霍夫定律，热平衡条件下材料的发射率与吸收率相等，因此增强红外吸收能力、降低红外透过率，是抑制辐射热穿透的重要途径。然而，在单一热稳定物相中同步实现低晶格热导率与强红外吸收，长期以来仍面临较大挑战。现有方法主要包括组分调控和微观结构设计：过渡金属掺杂可通过引入杂质能级和增强晶格振动提高红外发射率，但在传统氧化物陶瓷中往往存在掺杂能垒高、杂质相易析出以及热导率升高等问题。多层、多相结构及表面微纳结构化虽然能够改善辐射调控能力，但通常伴随界面热应力、结构稳定性不足和制备工艺复杂等局限，尤其难以满足长期极端高温服役要求。

高熵工程为解决上述问题提供了新的材料设计思路。高构型熵有助于稳定单相结构，显著的晶格畸变能够增强声子散射，而多主元稀土离子共掺杂则可进一步调控电子结构及红外光学响应。尽管已有研究表明高熵氧化物具有增强的红外吸收能力，但由于缺乏波长相关的组分-辐射性能定量关系，其组分设计仍较大程度依赖经验，庞大的成分空间也显著增加了传统试错实验的成本与周期。

基于此，本研究构建了融合数据驱动设计与高通量筛选的高熵热防护陶瓷设计范式，将稀土组分-性能映射关系与高熵工程相结合，实现了对辐射传热和固体晶格热导率的协同调控。借助自主构建的物理约束随机森林模型，对 RE3TaO7 化合物的波长依赖红外辐射特性开展定量预测，并从504套体系中筛选出21种候选材料。其中，代表性高熵体系 (Nd0.2Sm0.2Gd0.2Dy0.2Y0.2)3TaO7 在0.78-2.5 μm波段实现了超低的近红外透过率（<1%），在2.5-14 μm波段具有高于0.9的宽带发射率，1273 K下近似辐射热导率低至0.035 W·m-1·K-1。该研究系统揭示了高熵化诱导的局域晶格畸变、高浓度氧空位与多重稀土离子4f-4f电子跃迁协同抑制高温热辐射传输的物理机制，为突破传统氧化物热防护陶瓷高红外辐射穿透的固有瓶颈提供了可行路径。

​9428cn太阳集团古天乐王亚明教授、王树棋副教授与土木学院徐翔教授为论文通讯作者，​9428cn太阳集团古天乐博士研究生谢恩雨为论文第一作者。

该研究受到国家自然科学基金、省自然科学基金重点、公司青年科学家工作室项目等资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78073

图1. 基于数据驱动策略设计高温红外辐射传输抑制的高熵NSGDYTO材料示意图。