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《Adv. Mater.》楊勇等工作：利用晶格畸變實(shí)現(xiàn)高熵合金的多功能性

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2023-09-08  瀏覽次數(shù)：3402
自2004年高熵合金（High-entropy alloy, HEA）的概念被提出以來(lái)，這種多組元合金因其優(yōu)異的力學(xué)、物理以及電化學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。人們普遍認(rèn)為，將多種不同尺寸的元素合金化到一個(gè)共同的晶格中會(huì)導(dǎo)致晶格扭曲，使組成原子偏離其理想位置，從而產(chǎn)生晶格畸變效應(yīng)。一方面，晶格畸變效應(yīng)會(huì)在HEA中產(chǎn)生高度波動(dòng)的彈性應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)，這已被證明對(duì)位錯(cuò)行為至關(guān)重要。另一方面，晶格畸變有助于穩(wěn)定熱力學(xué)非平衡態(tài)，降低電子和離子等活性物質(zhì)的能壘。因此，具有畸變晶格的HEA相比傳統(tǒng)合金表現(xiàn)出更吸引人的多功能特性，例如超彈性、優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性、出色的熱電性能、獨(dú)特的耐輻照性和優(yōu)秀的催化效率，從而具有更加靈活的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，新開(kāi)發(fā)的單相B2 (CoNi)50(TiZrHf)50 HEA由于嚴(yán)重的晶格畸變而表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非磁性Elinvar效應(yīng)。此外，F(xiàn)CC Cantor合金 (FeCoNiCrMn)還以其在低溫下的高斷裂韌性和耐輻照性的結(jié)合而聞名。

香港城市大學(xué)楊勇教授團(tuán)隊(duì)對(duì)表現(xiàn)出嚴(yán)重晶格畸變的多功能HEA進(jìn)行了系統(tǒng)性綜述，涵蓋了為理解晶格畸變而開(kāi)發(fā)的理論模型、用于表征晶格畸變的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法、晶格畸變對(duì)合金性能的影響，以及畸變高熵合金的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。通過(guò)這篇綜述文章，作者希望能夠促進(jìn)對(duì)晶體固體中扭曲晶格的進(jìn)一步研究。相關(guān)研究工作以“Multifunctional High Entropy Alloy Enabled by Severe Lattice Distortion”為題在Advanced materials上發(fā)表。

HEA具有復(fù)雜的化學(xué)成分，從而產(chǎn)生以晶格畸變?yōu)樘卣鞯莫?dú)特晶體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特征對(duì)HEA的各種物理和力學(xué)性能具有深遠(yuǎn)的影響，包括彈性、屈服強(qiáng)度、應(yīng)變硬化機(jī)制、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)、導(dǎo)熱性、耐輻照性和催化性能。在傳統(tǒng)合金中，晶格畸變主要是由溶質(zhì)原子引起的，從而產(chǎn)生與Eshelby理論一致的明確定義的彈性應(yīng)變場(chǎng)。然而，在HEA中，晶格畸變表現(xiàn)出高度波動(dòng)的彈性應(yīng)變場(chǎng)，這使得利用經(jīng)典模型來(lái)研究結(jié)構(gòu)-性能的相關(guān)性具有挑戰(zhàn)性。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，人們采用了各種原子模擬和最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)表征HEA中的晶格畸變，并從崎嶇的勢(shì)能角度了解它如何影響晶體缺陷（例如位錯(cuò)）的運(yùn)動(dòng)。這些研究表明，HEA中嚴(yán)重的晶格畸變可能導(dǎo)致相比于傳統(tǒng)合金前所未有的獨(dú)特的多功能特性。然而，過(guò)度的晶格畸變會(huì)導(dǎo)致晶格失穩(wěn)，引發(fā)相變甚至非晶化。此外，晶格畸變也可以與化學(xué)有序或CSRO結(jié)合起來(lái)。在某些HEA中，例如Elinvar合金Co-Ni-Ti-Zr-Hf-Fe，CSRO的形成可以減少晶格畸變，這不利于HEA的超彈性。因此，理解晶格畸變和CSRO之間的相互作用對(duì)于推進(jìn)多功能HEA的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。在作者看來(lái)，通過(guò)晶格畸變?cè)O(shè)計(jì)多功能HEA的關(guān)鍵在于最大化原子尺寸失配，同時(shí)確?；兙Ц竦姆€(wěn)定性。然而，這兩個(gè)目標(biāo)經(jīng)常發(fā)生沖突，需要在設(shè)計(jì)晶格畸變誘導(dǎo)多功能的HEA時(shí)進(jìn)行權(quán)衡。




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