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近年来，高熵（High-entropy, HE）材料因其独特的物性组合，迅速从合金领域扩展到陶瓷、玻璃等材料体系。稀土（Rare earth, RE）元素由于原子半径相近、4f电子结构特殊，赋予材料丰富的光学、电学和磁学特性。高熵稀土（HE-RE）材料兼具高熵效应与稀土元素的优异功能，成为高熵家族中极具潜力的新成员。本文在系统梳理该领域最新进展的基础上，总结其合成策略、结构特征、性能优势及未来发展方向，以期为相关研究与产业应用提供参考。
一、概念溯源与理论基础
“高熵”最早用于描述含五种及以上主元、浓度介于5–35 at%的合金体系。高混合熵抑制金属间化合物生成，促使单相固溶体形成，并衍生出四大核心效应：高熵效应、晶格畸变、迟滞扩散与**效应。稀土元素（Sc、Y及15种镧系元素）具有相似的离子半径和逐渐填充的4f轨道，使其在HE体系中的相容性高，且可通过4f电子调控磁、光、电性能。理论计算表明，当构型熵ΔSconf≥1.5 R时，体系即可获得熵稳定，稀土元素的低电负性与相近原子半径进一步降低了形成焓，有利于单相固溶体的获得。
二、高熵稀土合金
- HCP结构合金：2014年Takeuchi团队首次报道了具有六方密排（HCP）结构的YGdTbDyLu五元合金，其后又扩展至含轻稀土La、Ce及Sc的多元体系。该类合金满足Hume-Rothery规则，Δδ<4.6%，ΔHmix≈0 kJ mol⁻¹，室温屈服强度按混合律叠加，无明显熵强化，但表现出优异的磁热性能。
- 金属玻璃：RE基高熵金属玻璃（如GdTbDyAlFeCoNi）兼具玻璃形成能力大、磁熵变高、制冷温区宽等优点，在20–80 K低温磁制冷领域显示巨大潜力；通过熔体抽拉技术制备的微米丝材进一步提升了换热效率。
- 纳米颗粒：利用碳热冲击法（CTS）在55 ms内将前驱体快速加热至2000 K并极速冷却，可在碳载体上获得尺寸均一的PtPdRhRuCe等八元HE-RE纳米颗粒，显著降低贵金属用量且催化活性优异。
三、高熵稀土陶瓷
- 氧化物
- 萤石与铋钛矿结构：Ce基多组分RE₂O₃萤石氧化物（如(Ce₀.₂La₀.₂Pr₀.₂Sm₀.₂Y₀.₂)O₂₋δ）在1000–1500 °C下可逆相变，带隙1.9–3.2 eV可调，兼具光催化与氧离子导体功能。
- 钙钛矿结构：A位或B位多元素取代的RE(Co,Cr,Fe,Mn,Ni)O₃体系，通过容忍因子调控磁转变温度，实现绝缘反铁磁—金属铁磁—长程铁磁三相共存，产生1550 %的超大磁阻。
- 焦绿石与锆酸盐：RE₂Zr₂O₇高熵焦绿石（如(La₀.₂Ce₀.₂Nd₀.₂Sm₀.₂Eu₀.₂)₂Zr₂O₇）热导率<1 W m⁻¹ K⁻¹，热膨胀系数与镍基合金匹配，是下一代热障涂层（TBC）的理想候选。
- 硅酸盐、铝酸盐与磷酸盐
单/双硅酸盐HE-RE₂SiO₅、RE₂Si₂O₇兼具低导热、高相稳定性及优异CMAS/水蒸气耐腐蚀性，可用于1500 °C级环境障涂层（EBC）。HE-RE铝酸盐（如(Nd₀.₂Sm₀.₂Eu₀.₂Y₀.₂Yb₀.₂)₄Al₂O₉）热导率仅为Y₄Al₂O₉的45%，且与Al₂O₃化学兼容。
- 硼化物与硅化物碳化物
HE-REB₆（如(Ce₀.₂Y₀.₂Sm₀.₂Er₀.₂Yb₀.₂)B₆）兼具高硬度（~15 GPa）与轻质（ρ≤5 g cm⁻³），在11.5 GHz处最小反射损耗−33.4 dB，有效带宽3.9 GHz，为高温、轻质、宽频电磁波吸收材料提供了新思路。
四、特色效应与前沿问题
- 自旋玻璃相：HCP结构的HoDyYGdTb合金因局域随机势与周期势竞争，呈现反铁磁—自旋玻璃复杂相图，为研究强关联电子体系提供理想平台。
- 可逆带隙调控：通过真空/氢气/空气交替热处理，可在不改变相结构前提下实现0.5–1.2 eV可逆带隙调节，源于Ce⁴⁺/Ce³⁺与Pr 4f–O 2p杂化的协同调控。
- 量子限域效应：HE-RE氧硫族化合物纳米晶因尺寸减小导致吸收/发光蓝移，揭示高熵**效应与量子限域耦合产生的新现象。
五、挑战与展望
（1）理论深化：现有研究多聚焦性能优化，缺乏针对HE-RE体系的电子结构、缺陷化学及相图的多尺度模拟，需发展含4f电子的精确势函数与机器学习势。
（2）成分拓展：目前体系以重稀土为主，应加大对丰度高、价格低、结构/价态可调性强的轻稀土（La、Ce、Pr、Nd）的开发。
（3）绿色合成：高温固相法能耗高，需推广低温湿化学、溶胶-凝胶、喷雾热解及CTS等低能耗、可规模化的纳米合成路线。
（4）功能拓展：在电催化、固态电解质、磁制冷、量子信息及生物医学等领域，HE-RE材料凭借可调电子结构、高稳定性与多元素协同，有望催生新一代高性能器件。
结语
高熵稀土材料融合了高熵设计与稀土功能特性，在短短十年内从概念验证走向多元应用，展现出广阔前景。随着理论、合成与表征手段的不断完善，HE-RE材料将在能源、环境、信息与安全等国家重大需求领域扮演愈发重要的角色。
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发表于 2025-8-19 07:59:56
