摘 要

熵是热力学上表示混乱度的一个参数，高熵这个概念最早是出现在对一种特殊合金的定义中，高熵合金。它是20世纪90年代中国台湾学者体提出的一种新的合金设计方法，它超出了传统合金的设计理念，开创性的使用了五种或五种以上的高原子百分比金属元素冶炼合金。通过近二十多年的探索研究，人们在这个领域取得了非常显著的成果；高熵合金在声、光、电、热等方面的诸多优异性能被发掘出来了，并且其在某些领域得到了非常良好的应用。基于在高熵合金领域的成功探索，近年来有人提出了高熵陶瓷的概念，试图拓展对传统陶瓷领域的新探究 。本文的主要目的就是对一种高熵氧化物陶瓷（Y₂O₃-La₂O₃-CeO₂-ZrO₂-Al₂O₃）进行探究。论文工作主要包括以下几个部分：

对研究背景的认识。首先介绍了高熵陶瓷的研究背景和高熵合金与高熵陶瓷的研究现状，并详细论述了高熵合金区别于一般合金的优异性能，然后本文通过组元的选择与计算对高熵氧化物陶瓷进行了设计，并提出了球磨的方法和路线。

实验过程与分析。通过多次的球磨实验对其进行了探究，通过对实验过程和实验产物的XRD测试结果的深入分析，最后发现：以氧化钇、氧化镧、氧化铈、氧化锆、氧化铝为组元的等体积比氧化物体系在干法球磨的实验方法下难以达到合成高熵氧化物陶瓷目的的结论，并对其原因进行了详细探讨。其主要原因是:第一，这个五元体系无法形成高熵状态；第二，等体积的配比存在问题；第三，球磨的方法不可行。

关键词： 高熵合金；高熵陶瓷；氧化物；球磨；XRD

Abstract

Entropy is a parameter that represents the degree of confusion in thermodynamics.The concept of high entropy is first appeared in defining the high entropy alloy.High entropy alloy is a type of new alloy design method proposed by Taiwan scholars in 1990s.Different with the traditional alloy design, five or more metal elements with high atomic rate are put together, interestingly keeping one or two lattice (FCC or BCC).Through nearly 20 years of exploration and research, people have achieved remarkable advance in this field.Some excellent properties of the high entropy alloys have been found in the field of sound, light, electricity, heat and so on ;as well as their applications . Inspired by the success of the high entropy alloy, it is believed helpful to put the concept of high entropy forward ceramics to explore the possible new finds. The main purpose of this paper is to explore the fabrication of the high entropy oxide ceramics of Y₂O₃-La₂O₃-CeO₂-ZrO₂-Al₂O₃, and its main contents are list as the following.

This paper firstly introduces the research background of high entropy ceramics and the research status of high entropy alloys and high entropy ceramics, and discusses the excellent properties of high entropy alloys different from general alloys. Then, I designed high entropy oxide ceramics by the selection and calculation of the group element and a number of ball milling experiments were carried out to explore it.

Secondly, we give the experimental procedure and the discussion of the results. Through in-depth analysis of the experimental process and result of the XRD results, it is concluded that the aim of the synthesis of high entropy oxide ceramic is difficult to reach the goal of synthesizing high entropy oxide ceramic with the experimental method of the equal volume ratio of yttrium oxide, lanthanum oxide, cerium oxide, zirconium oxide and aluminum oxide as the group elements. And the reasons are discussed in detail.The main reasons are as following: firstly, the five element system can not form a high entropy state; secondly, the equal volume ratio has problems; thirdly, the method of ball milling is not feasible.

Key words: high entropy alloy;high entropy ceramics;oxide;ball milling;XRD

目 录

目 录 1

第1章 绪 论 3

1.1 课题背景 3

1.2 高熵合金与高熵陶瓷的研究现状 4

1.2.1 高熵合金 4

1.2.2高熵陶瓷 5

1.3实验原材料 5

1.4实验方法 6

1.4.1球磨的机理 6

1.4.2球磨的优点 6

1.4.3球磨方式 7

1.5 本论文的研究目的和主要研究内容 7

1.5.1 研究目的 7

1.5.2 主要研究内容 7

第2章 球磨实验 8

2.1 实验原料的准备 8

2.2实验设备与器材的选择 8

2.3实验过程 9

2.3.1实验原料的计算与称量 9

2.3.2 球磨实验过程 10

第3章实验结果与分析 12

3.1 球磨100小时的实验结果与分析 12

3.2 球磨200个小时后的实验结果与分析 13

3.3 球磨300个小时的实验结果与分析 14

3.4分析与总结 15

3.5 改进实验 15

3.5.1 实验前的准备 15

3.5.2 实验过程 16

3.5.3 实验结果与分析 16

第4章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 19

致 谢 21

第1章 绪 论

1.1 课题背景

陶瓷材料是用天然或着合成化合物经过成形和高温烧结制而成的一类无机非金属材料。陶瓷材料的主要成分是碳化物、氧化物、氮化物、硅化物等，因而它们的化学结合键式以离子键、共价键及这两者的混合键为主；这使得陶瓷材料具有许多优异的性能，如陶瓷材料具有高硬度、高强度、高化学稳定性、高熔点等特性，同时陶瓷材料还具有耐氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐高温、弹性模量大、密度小、强度高等特点，除此之外功能陶瓷还在电、光、磁等方面具有特殊性能。

在热力学上用熵来表示体系的混乱度，一个体系的混乱度越大则其熵值也就越大。高熵这个词首先出现在对高熵合金的定义中，熵变与体系的混乱度有一定的关系，根据玻尔兹曼的假设，熵变，这里指的是在n种等摩尔元素混合形成固溶体中，当n等于2时ΔS为0.69R，当n等于3时ΔS为1.10R，当n等于5时ΔS分别为1.61R，传统合金大多数是以一种元素为主然后掺杂少量其他元素，一般来说其混合熵都小于0.693R，为了达到多主元高乱度的效应从而产生与传统合金的区别，一般高熵合金的主要元素数目n都大于1，而且从目前的研究状况来看n一般大于或等于5。根据传统的合金发展经验，在熔炼合金是如果合金元素的种类较多则会产生多种金属间化合物，这种金属间化合物的产生不但使得其的性质组成难以分析，而且材质也会变得比一般金属脆，缺乏应用性。而且根据Gibbs相律，一个含有n种元素的合金系统所能产生的平衡相的相数p=n 1,其在非平衡凝固时的所产生的相数p≥n 1。而通过对高熵合金的大量研究，发现事实并非如此，由于高熵效应的存在，当体系的元素数目较多而导致系统的混合熵比形成金属间化合物的熵变还要大时，体系中就会产生高熵效应，从而抑制脆性金属间化合物的出现，并且促进元素间混合形成简单的体心立方或面心方结构，使得所得的相数plt;lt;n 1。由于高熵效应高熵合金具有许多显著的特点，如极高的硬度、耐温性及耐蚀性等。