導(dǎo)讀：來自美國北卡羅萊納州立大學(xué)和卡塔爾大學(xué)的研究人員合作，日前研發(fā)了全新高熵合金，該材料擁有更高的強(qiáng)度重量比，目前任何一種金屬都不具備這樣的*性能。研究人員利用機(jī)械合金法融合鋰、鎂、鈦、鋁和鈧來打造低密度納米晶合金(Al20Li20Mg10Sc20Ti30)，預(yù)估的材料強(qiáng)度重量比要明顯高出其它納米晶合金，甚至可以與陶瓷相媲美。

    來自美國北卡羅萊納州立大學(xué)和卡塔爾大學(xué)的研究人員合作，日前研發(fā)了全新高熵合金，該材料擁有更高的強(qiáng)度重量比，目前任何一種金屬都不具備這樣的*性能。研究人員利用機(jī)械合金法融合鋰、鎂、鈦、鋁和鈧來打造低密度納米晶合金(Al20Li20Mg10Sc20Ti30)，預(yù)估的材料強(qiáng)度重量比要明顯高出其它納米晶合金，甚至可以與陶瓷相媲美。

    高熵合金(HEAs)是多組分合金系統(tǒng)中的一個全新分類，這種合金的設(shè)計理念不是向金屬材料中添加單一基本元素，而是選擇那些可以在近等原子混合條件下，形成固溶體的各種元素物質(zhì)。

    低密度、高強(qiáng)度合金的應(yīng)用在交通運(yùn)輸和能源領(lǐng)域有助于節(jié)省資源消耗，雖然相關(guān)研發(fā)一直都是被關(guān)注的熱點(diǎn)問題，但是迄今為止很少有低密度高熵合金研究的報導(dǎo)(這里低密度是指密度小于3克/立方厘米)，而單相低密度高熵合金甚至從沒有被報導(dǎo)過。發(fā)表的專業(yè)論文則在生產(chǎn)工藝、材料結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度等方面詳細(xì)分析了創(chuàng)新型低密度高熵合金。

    因?yàn)殇嚭玩V具有較高的蒸汽壓力，研發(fā)人員利用機(jī)械合金法來生產(chǎn)合金，而不是傳統(tǒng)的熔融鑄造工藝。隨著處于高純度氬保護(hù)氣氛手套式操作箱中的不銹鋼球，原材料粉末被輸送到不銹鋼瓶中;球磨研磨工藝在一個改進(jìn)的SPEX 8000混磨機(jī)中執(zhí)行，混磨機(jī)首先要在液氮環(huán)境下冷卻2小時，然后在室溫下連續(xù)研磨14個小時。液態(tài)氮?dú)饫鋮s混磨機(jī)，能夠防止在機(jī)械研磨初期，因摩擦生熱造成的粉末熔接現(xiàn)象發(fā)生。

    新型高熵合金的密度為2.67克/立方厘米，納米晶晶粒直徑為12納米，機(jī)械硬度達(dá)到5900兆帕。密度大小和鋁合金基本相同，但是強(qiáng)度要超過鈦合金，具有高強(qiáng)度和低密度的雙重特點(diǎn);強(qiáng)度重量比甚至可以與一些陶瓷相提并論，而且比陶瓷更有韌性，不易碎裂。研發(fā)人員還在圍繞這種新型材料展開更深入的工作，試圖全面了解該高熵合金的特性，并發(fā)掘出zui合適的生產(chǎn)制造工藝。

    現(xiàn)在這種合金面臨的zui主要問題是，材料含有20%的金屬鈧，而鈧的價格非常昂貴;研發(fā)人員正努力探究鈧是否能夠從合金中被取代或移除。

    目前，高熵合金一般可以被定義為由五個以上的元素組元按照等原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶體相的一類合金。簡言之，五元合金相圖中，在中間位置存在固溶體相區(qū)，這種固溶體目前認(rèn)為是混合熵穩(wěn)定的固溶體。

    高熵合金具有一些傳統(tǒng)合金所*的優(yōu)異性能，如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性、高熱阻、高電阻等，從而成為在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中繼大塊非晶之后一個新的研究熱點(diǎn)。目前，高熵合金的研究多是集中在鑄態(tài)下的性能測試，我們知道鑄態(tài)下的產(chǎn)品有著天然的性能缺陷(如由于熱脹冷縮造成的空洞、疏松等)，而對其熱處理、熱加工后的性能研究缺少有報道。有人曾預(yù)言，未來幾十年內(nèi)，zui有發(fā)展?jié)摿Φ娜笱芯繜狳c(diǎn)是大塊非晶、復(fù)合材料和高熵合金。

    目前，根據(jù)研究高熵合金性質(zhì)和特點(diǎn)，總結(jié)出高熵合金的4大效應(yīng)：

1.熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)

    當(dāng)合金由兩種元素等原子比混合時其合金熔體的混合熵為0.69R，而由五種元素組成的等原子比合金熔體的混合熵已經(jīng)可以達(dá)到1.61R，而一般金屬合金的熔化熵為1R左右。可以看出，高熵合金的混合熵要明顯高于傳統(tǒng)金屬合金。當(dāng)?shù)仍颖群辖鹑垠w的混合熵隨合金組元數(shù)的增加而增加，但是當(dāng)組元數(shù)超過13以后，其合金熔體的混合熵增長的幅度將趨于平緩。

2.結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)

    高熵合金存在著嚴(yán)重的晶格畸變，嚴(yán)重的晶格畸變必然會影響到材料的力學(xué)，熱學(xué)，電學(xué)等一系列性能。如高熱阻，高電阻效應(yīng)。

3.動力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)

    相變?nèi)Q于原子擴(kuò)散，它需要組元之間的協(xié)同擴(kuò)散才能達(dá)到不同相的平衡分離。這種必要的協(xié)同擴(kuò)散，以及阻礙原子運(yùn)動的晶格畸變，都會限制高熵合金中的有效擴(kuò)散速率。在高熵合金的鑄造過程中，冷卻時的相分離在高溫區(qū)間通常被抑制從而延遲到低溫區(qū)間。

4.性能上的“雞尾酒"效應(yīng)

    高熵合金的“雞尾酒"效應(yīng)是指其多種元素的本生特性和他們之間相互作用使高熵合金呈現(xiàn)一種復(fù)雜效應(yīng)。這種“雞尾酒"效應(yīng)是一位印度科學(xué)家首先提出的。舉例來說，如果使用較多輕元素，合金的總體密度將會減小;如果使用較多的抗氧化元素，如鋁或硅，合金的高溫抗氧化能力就會提高。

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