在美国国防部的资助下，弗吉尼亚大学和亚利桑那州立大学的研究人员正在研究矿物和岩石在制造最耐用耐热材料方面的潜力。由美国国防部资助的一个合作研究项目正在探索利用天然矿物和岩石开发突破性的耐热材料，重点关注可持续性和稀土元素的有效利用。

有史以来最耐用的耐热材料可能就隐藏在人们的视线之中。

美国国防部想知道在地球上和太空中发现的矿物和岩石是否蕴藏着下一代高温材料的秘密。为了找出答案，国防部通过多学科大学研究计划（MURI）向弗吉尼亚大学和亚利桑那州立大学的一个研究小组提供了625万美元的资助。该小组由弗吉尼亚大学材料科学与工程系主任、劳斯莱斯英联邦教授 Elizabeth J. Opila（伊丽莎白-J.-奥皮拉）领导。

竞争激烈的 MURI 项目为基础科学研究提供资金，国防部希望通过多个学科的集体见解，在其感兴趣的领域取得突破。

"由于能源生产、高超音速技术以及增材制造等新领域的需求，现在是高温材料蓬勃发展的时期，"奥皮拉说。"人们正在探索新的组成空间，以不同的方式混合不同的元素。除此之外，我们还在思考这些受地质和行星启发的材料，这非常有趣。"与科学家通常使用的化合物材料相比，矿物和岩石非常复杂，这也是该项目潜力令人兴奋的原因。

博士后研究员桑达马尔-威瑟拉马吉（Sandamal Witharamage，右）是伊丽莎白-J.-奥皮拉（Elizabeth J. Opila）教授团队的成员，该团队利用美国国防部多学科大学研究计划（Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiative）的资助，开发由行星和地质启发的新型高温材料。资料来源：弗吉尼亚大学工程与应用科学学院

"地质学家真正关注的是地球是如何形成的，我们在哪里可以找到这些不同的物质，"奥皮拉说。"我们希望将这些知识带入应用领域。"

通过选择特定的物理特性，研究人员将复制大自然使用矿物成分、温度、压力以及这些力量的快速变化来制造他们的合成材料。我们的目标是极大地扩展高温材料的加工手段和成分，并为其他人记录这些手段和成分，以超越人类或大自然所创造的任何东西。

寻找耐火材料

为了满足对更好的耐火材料的需求--即那些在高温或腐蚀条件下不易减弱、熔化或分解的材料，美国陆军研究办公室就"地球和地外材料的新兴耐火行为"（Emergent Refractory Behaviors in Earth and Extraterrestrial Materials）征集提案。在几项目标中，奥皮拉的团队将设计、制造、测试和描述一系列新材料，这些新材料的性能将优于目前在高温环境中使用的陶瓷、合金和涂层，例如华氏3000度的喷气发动机。

奥皮拉曾是美国国家航空航天局（NASA）的科学家，也是耐热和耐腐蚀材料领域的创新者。她的合作者是来自弗吉尼亚大学工程与应用科学学院、亚州立大学物质、传输与能源工程学院、分子科学学院以及地球与太空探索学院的地质学、计算建模和材料科学专家。

合作首席研究员来自弗吉尼亚大学工程学院，他们是机械与航空航天工程惠特尼-斯通工程学教授Patrick E. Hopkins和材料科学与工程助理教授Bi-Cheng Zhou。

霍普金斯的 ExSiTE 实验室专门研究基于激光的热性能测量技术。他的实验室将对研究小组提出的材料进行表征。

周必成是一名计算建模专家，因发明了CALPHAD方法的变体以扩展其功能而闻名。他和另一位计算建模专家、亚州立大学材料科学与工程系助理教授洪启军将利用各自的专长，为两校的实验实验室快速发现有前途的"配方"。

亚利桑那大学的实验室由著名的热力学跨学科专家兼纳夫罗茨基-艾林宇宙材料中心主任亚历山德拉-纳夫罗茨基（Alexandra Navrotsky）和亚利桑那大学分子科学与地球和太空探索学院教授、矿物学家和材料化学家许宏武（Hongwu Xu）负责管理。

奥皮拉说，这些团队将制作和分析未来的配方--经常交换样品进行测试，她的实验室将带来极高的温度，而亚利桑那大学的实验室将进行高压和高温测试。

弗吉尼亚大学博士生帕德雷金-斯塔克（Pádraigín Stack）介绍说，合成测试样品传统上从粉末状元素开始，然后对粉末进行化学变化，分离出目标材料或目标材料的成分。

新成分经过稀释、加热和干燥后变回粉末状，然后进行烧结，在烧结过程中施加足够的热量和压力，形成致密的材料球。烧结块的薄片被称为"试样"，研究人员将对其进行各种测试--例如，在奥皮拉的实验室中将其置于高速蒸汽中，或者在亚利桑那州立大学用金刚石砧施加类似地质学的压力。

除了这些传统的合成方法，研究小组还将尝试受行星或地质现象启发的方法，例如在高压下加热水进行的热液合成。由于水在地球高温高压的内部非常丰富，热液过程与含有稀土元素的矿物的形成等有关，而稀土元素是许多可再生能源应用的关键成分。

在实验室中，水热合成涉及在封闭容器中的热水基溶液中形成晶体，这样在液体上移动的气态分子就会在系统内产生很高的蒸汽压。

稀土元素的困境

MURI 项目的重点之一是利用稀土元素。许多稀土元素已被用于传统的高温材料中，如航空和高超音速飞行中的环境屏障涂层，以及电池、LED 设备和其他需求日益增长的产品，但成本高昂。虽然稀土实际上并不稀有，但从土壤和岩石中分离稀土元素需要数十个步骤，其中大部分都会造成污染。

"我们要使用的所有这些稀土氧化物现在都存在于矿物中，"奥皮拉说。"有人开采它们，然后将它们全部分离出来。例如，镱和镥是元素周期表上的邻居。它们的化学性质非常相似，需要经过 66 个步骤，其中涉及许多化学物质，会产生令人讨厌的废品。"

分离问题让奥皮拉提出了一个问题，这也是她和她的学生们正在研究的另一个与 MURI 有关的项目的核心所在："如果你直接从地下提取一种由你想要的元素组成的矿物，但不分离它们，只是稍微清理一下，然后用它来制造你的材料，那会怎么样？"

他们正在试验用一种常见的矿物--氙来改进环境阻隔涂层（或称 EBC），这种涂层可以保护喷气发动机部件免受高速蒸汽和沙漠风沙等危害。如果沙子渗入涂层，就会熔化成玻璃，并与底层合金发生反应。

"我们知道某些矿物是稳定的，因为我们可以在地下找到它们，"斯塔克说。"在地下找不到金属铁，只能找到氧化铁，因为氧化铁是稳定的。让我们来探索某些东西为什么是稳定的，或者它是否具有其他有用的特性，并利用这些知识来制造出更好的东西。"

编译来源：ScitechDaily