导读：为了建立构型熵与晶格畸变之间的关系，本文采用固相反应法制备了新型稀土单硅酸盐(xRE1/x)2SiO5（RE=Yb，Tm，Er，Y，Dy和Tb，x=2-6）陶瓷材料。(xRE1/x)2SiO5的晶格畸变随着构型熵的增加而逐渐增加，但当构型熵足够大时，该多稀土主元固溶体倾向于形成高对称性的晶体结构，从而抑制了晶格畸变。晶格畸变效应对热学性能及耐CMAS腐蚀能力产生较大影响。(5RE1/x)2SiO5具有最大的晶格畸变，从而获得了较低的热导率和热膨胀系数。此外，(5RE1/x)2SiO5具有良好的耐CMAS腐蚀性。该陶瓷材料在1300 ℃和1500 ℃下腐蚀48 h后，反应层的厚度分别仅有53  µm和46 µm。

SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料（SiC-CMCs）具有优异的热学和力学性能，是先进燃气轮机发动机与航空发动机热端构件的主要候选材料之一。然而，当其在极端环境中，SiC-CMCs往往会遭受高温水蒸气和熔盐（CMAS）腐蚀。因此，迫切需要在其表面制备一层环境障涂层(EBCs)来保护SiC-CMCs。稀土单硅酸盐（RE2SiO5）陶瓷由于其优异的耐腐蚀性、低热导率和良好的化学兼容性，是极具潜力的新型EBC候选材料。但是，稀土单硅酸盐的热膨胀系数较大，与基体不匹配，易产生内应力，导致涂层开裂或剥落。此外，稀土单硅酸盐种类较多，由于稀土离子半径差异，导致性能各异。而平衡调控材料的热学性能、耐腐蚀性及高温结构稳定，提高综合服役性能是稀土单硅酸盐获得实际应用的主要难题。

最近，沈阳工业大学材料学院王占杰团队利用构型熵来调控(xRE1/x)2SiO5（RE=Yb，Tm，Er，Y，Dy和Tb，x=2-6）的晶体结构，进而实现优化材料的高温稳定性、热学性能及耐CMAS腐蚀能力等综合性能。首先，采用固相反应法制备了五种低熵、中熵和高熵稀土单硅酸盐(xRE1/x)2SiO5粉体，然后通过无压烧结制备出块体低熵、中熵和高熵(xRE1/x)2SiO5陶瓷材料。(xRE1/x)2SiO5的晶格畸变随着构型熵的增加而逐渐增加，但当构型熵超过1.61R（x＝5）时，(xRE1/x)2SiO5陶瓷倾向于形成高对称性的晶体结构，从而抑制了晶格畸变。结果表明：(5RE1/x)2SiO5具有最大的晶格畸变，能够增强声子散射，改变低频声子的非简谐性特征，增加了“负”膨胀贡献声子的比例，从而获得了较低的热导率，及与SiC-CMCs相匹配的CTE值（(3.99-4.46)×10 6 K-1）。同时，材料的耐CMAS腐蚀性主要取决于构型熵和晶格畸变。构型熵的增加有利于提高材料在CMAS熔体中的高温稳定性，而[REOm]多面体的晶格畸变可以增强迟滞扩散效应，减少Ca2+对(xRE1/x)2SiO5晶粒的腐蚀。在该体系下，当构型熵为1.61R（即x=5）时，合成的 (5RE1/x)2SiO5陶瓷具有较大的构型熵与最大的晶格畸变，从而展现出优异的耐CMAS腐蚀能力。在1300 ℃和1500 ℃下腐蚀48 h后，反应层的厚度仅为53 µm和46 µm。相关研究结果以题为“Improved thermal properties and CMAS corrosion resistance of rare-earth monosilicates by adjusting the configuration entropy with RE-doping”发表在国际腐蚀领域顶刊Corrosion Science上。材料学院硕士研究生何昱萱为第一作者，王超副教授和吴玉胜教授为本文的共同通讯作者。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111664

图1 (xRE1/x)2SiO5陶瓷的微观结构表征。（a-e）(xRE1/x)2SiO5陶瓷的SEM图像和EDS元素图谱；（f）为(xRE1/x)2SiO5陶瓷XRD的精修结果；（g）显示了(xRE1/x)2SiO5陶瓷的XRD图谱；（h）是(xRE1/x)2SiO5和磷灰石的晶体结构；（i）为(xRE1/x)2SiO5陶瓷中[REOm]和[SiO4]多面体的平均键长与晶格畸变度。

图2 (xRE1/x)2SiO5陶瓷的热学性能。（a）在573-1273 K测试温度范围内的热膨胀系数；（b）热容；（c）热扩散率；（d）热导率。

图3 (xRE1/x)2SiO5陶瓷的耐CMAS腐蚀性能。（a-e）在1300 ℃下经CMAS腐蚀48 h后的表面和横截面SEM图像；（f）在1300 ℃下经CMAS腐蚀48 h后的XRD图谱；（g）在1300 ℃下CMAS腐蚀48h后的反应层厚度；（h-l）在1500 ℃下经CMAS腐蚀48 h后的表面和横截面SEM图像；（m）在1500 ℃下经CMAS腐蚀48 h后的XRD图谱；（n）在1500 ℃下CMAS腐蚀48h后的反应层厚度；（o）为残余CMAS熔体、石榴石、反应磷灰石和石榴石中磷灰石相中稀土元素的含量。