当陶瓷粉末拥有阿基米德形状，就能抵抗1400°C极端高温氧化！
在极端高温环境下（例如航天器重返大气层时），材料需要承受超过2000°C的高温、剧烈摩擦和氧化腐蚀。传统金属材料在此条件下会软化甚至熔化，而普通陶瓷则可能因热应力破裂。为此，科学家开发了“超高温陶瓷”，这类材料以金属硼化物（如碳化锆、碳化铪）为核心，具有极高的熔点和抗氧化性。然而，现有超高温陶瓷的微观结构往往不均匀，导致材料在高温下容易开裂或氧化失效。这一问题直接影响航天器热防护系统的可靠性，甚至可能威胁飞行安全。优化这类材料的微观形态和性能，不仅关乎航天技术的突破，也对核能、冶金等高温工业的发展至关重要。
超高温陶瓷的合成面临两大挑战。首先，材料需要在极高温度（通常超过1500°C）下加工，但高温容易破坏晶体结构的可控性，导致颗粒形态不规则或出现孔隙。例如，传统方法合成的陶瓷颗粒多为球形或不规则多面体，这些形态在烧结时难以紧密排列，最终影响材料密度和强度。其次，材料成分的均匀性难以控制。以锆铪硼化物为例，锆和铪原子需要在原子尺度均匀混合，但两者在高温下扩散速率不同，容易形成局部成分偏析，降低抗氧化性和力学性能。这些问题使得高性能陶瓷的规模化生产和实际应用举步维艰。
阿基米德多面体是由两种或多种正多边形面构成的半正多面体，共有13种类型，其外形兼具对称性与多样性，典型结构如截断八面体（六边形与正方形组合）和截断二十面体（足球状五边形与六边形组合）。这类多面体通过截断柏拉图多面体边角形成，顶点排列一致，边缘长度和面角度均匀分布，既保留了规则几何美感，又因多面组合提升了结构稳定性和空间填充效率。其核心优势在于几何设计的高度优化——以最小材料消耗实现最大结构强度，同时满足功能与美学的双重需求。应用方面，其高对称性和轻量化特性被广泛应用于建筑领域（如富勒烯穹顶、空间桁架），材料科学（多孔金属、航空航天蜂窝材料），以及工程机械设计（轻质抗压零件优化）。此外，它还为化学分子结构（如富勒烯C60）和艺术装置提供几何原型，成为跨学科创新的重要灵感来源。综合来看，阿基米德多面体凭借均衡的受力分布、高效的资源利用和广泛的适应性，在科学、工程与艺术领域展现出独特的实用价值与美学意义。
最近，根据公开的报道，来自中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学技术大学、合肥综合性国家科学中心能源研究院的研究团队，在《Journal of the European Ceramic Society》杂志上发表了题为“Growth mechanism and sintering properties of high crystallinity Archimedean polyhedral (Zr0.5Hf0.5)B2 nanoparticles”的文章（doi号：10.1016/j.ceramint.2025.03.123），创新解决了超高温陶瓷颗粒形态不可控及性能不稳定的问题。研究团队开发了一种高压液相与共沉淀协同辅助的硼/碳热还原法，通过精确调控反应压力、温度梯度及前驱体配比，首次合成了具有阿基米德多面体结构的高结晶度（Zr0.5Hf0.5）B2纳米颗粒。实验表明，该颗粒在生长过程中通过“定向附着”和“螺旋位错”机制的协同作用，形成了由六边形顶面与规则五边形侧面组成的多面体结构。这种结构不仅使陶瓷粉末的烧结密度提升至92.1%（传统方法仅85%），还显著降低了氧化层厚度——在1400°C下氧化3小时后，氧化层厚度仅为86.43微米，比传统球形颗粒减少近60%。此外，材料的维氏硬度达到16.8 GPa，优于同类材料。
图：硼化物陶瓷颗粒生长过程示意图。图片来自文献doi：10.1016/j.ceramint.2025.03.123
图：(a) 前驱体粉末在氩气气氛中从室温至1400°C进行的热重/差示扫描量热（TGA/DSC）分析；(b) 前驱体粉末经700°C至1500°C煅烧1小时后的X射线衍射（XRD）图谱；(c)-(d) 1500°C煅烧粉末在不同放大倍数下的扫描电子显微镜（SEM）图像及其对应的粒径分布。图片来自文献doi：10.1016/j.ceramint.2025.03.123
若此类高性能超高温陶瓷实现大规模生产，或许将推动多个领域的革新。在航空航天领域，可将其用于高超音速飞行器的鼻锥和机翼前缘，抵御大气摩擦产生的极端高温；在核能领域，可制成核反应堆内壁防护层，提升耐辐射和抗熔毁能力；在工业制造中，可作为高温炉的耐腐蚀内衬，延长设备寿命并减少维护成本。此外，其优异的抗氧化性还可用于开发新一代耐火材料，例如火箭发动机喷管涂层或冶金行业的高纯度熔炼容器。甚至有望在激光武器散热系统中发挥作用，解决高能激光器件的热管理难题。这些应用不仅提升技术极限，还将降低能源消耗与安全风险，为人类探索极端环境提供关键材料支撑。
选自微信公众号 材料e界