1. Původ názvu
Jako stoupající hvězda v oblasti materiálů z slitin je zrození vysoce entropických slitin (HEAS) úzce spojeno s konceptem entropie ., ale co přesně je entropie? Před odhalením záhad slitin s vysokou entropií pojďme poprvé prozkoumat svět entropie .
Koncept entropie byl představen německým fyzikem Rudolf Clausius v 1865. V termodynamice je entropie parametrem, který popisuje stupeň poruchy v systému-větší porucha, čím vyšší je entropie .
Abychom lépe porozuměli tomuto konceptu, použijeme jako příklad třídu tělesné výchovy (PE):
Stav s nízkou entropií: Když všichni studenti nosí stejnou uniformu s několika výjimkami, stojí v úhledných řadách a provádějí zahřívací cvičení v kompaktní formaci, jejich pohybový rozsah je omezený a entropie systému je nízká .
Stav s vysokou entropií: Když studenti nosí řadu oblečení, rozptýlí se po zamítnutí tvorby a zapojte se do volných činností, rozsah pohybu se zvyšuje a třída se stane více narušeným, což má za následek stav vysoce entropie .
Podobně můžeme přemýšlet o každém studentovi jako o atomové jednotce v slitině. Když jsou atomy uspořádány v uspořádaném způsobu, podobně jako studenti stojící v formaci, je systém slitiny v stavu nízké entropie. Naopak, když jsou atomy náhodně rozloženy a pohybují se volně, systém dosahuje stavu vysoké entropie.
Ve srovnání s konvenčními slitinami má tento nováček ve světovém světě vyšší entropickou hodnotu . Proto ji vědci z materiálů jmenovali slitinou s vysokou entropií . v tomto kontextu, „vysoká entropie“, které se v Allioy Určitě odkazuje na vysoký stupeň chemické nebo topologické poruchy v atomovém uspořádání v Allioy {3 { Slitiny s vysokou entropií, prozkoumejme, jak byl tento fascinující materiál objeven .
2. Objevení slitin s vysokou entropií
Základ pro objevování vysoce entropických slitin byl položen již na konci 18. století . německý vědec a metalurský Franz Karl Achard provedl inovativní studii, ve které připravil řadu vícekomponentních slitin obsahujících pět až sedm prvků ., ale do značné míry byla převinutá prací, a to do značné míry, které byly do značné míry převezeny.
Až do roku 1963 si profesor Cyril Stanley Smith (Smith, 1963) všiml a nahlásil tento výzkum . Na základě existujících experimentálních záznamů se nyní věří, že se jednalo o jednu z prvních studií souvisejících s slitinami s vysokou entropií .
Unfortunately, due to a lack of attention, progress on high-entropy alloys stalled for decades. It wasn't until the 1990s that interest in high-entropy alloys was reignited. In 1993, scientists at the University of Cambridge proposed the "confusion principle," suggesting that alloys with higher entropy are more likely to form amorphous structures. Přibližně ve stejnou dobu tchajwanský učenec Yeh Jien-Wei a jeho tým představili inovativní slitiny navrhované konceptem slitiny s více hlavními prvky a vysokou míchací entropií, které pojmenovali slitiny s vysokou entropií .
Vědecký pokrok však často vyžaduje čas . Navzdory zavedení tohoto konceptu zůstaly související výsledky výzkumu po léta nepublikované .
Finally, in 2004, Professor Cantor from the UK conducted an experiment in which he melted a high-mixing-entropy alloy. Surprisingly, instead of forming the anticipated amorphous structure, the alloy developed multiple brittle crystalline phases. This finding contradicted the confusion principle but confirmed Yeh's design theory. This unexpected discovery officially marked the Narození slitin s vysokou entropií .
Pro vysvětlení tohoto fascinujícího jevu poskytoval profesor Zhang Yong z University of Science and Technology Peking teoretické poznatky a položil základ pro další výzkum HEAS . Od té doby se z vysoce entropické slitiny objevily jako zářivá hvězda v oblasti přislisovacích materiálů .}..
S rostoucím nadšením výzkumu se koncept slitin s vysokou entropií rychle rozšířil do souvisejících polí, jako jsou:
High-entropie keramika
Thinské filmy s vysokou entropií
Vysoko-entropické oceli
High-entropické superlogy
Lehké slitiny s vysokou entropií na bázi Al-MG
Vysoko entropické tvrdé slitiny
3. jedinečné vlastnosti vysoce entropických slitin
Slitiny s vysokou entropií zavádějí novou perspektivu v designu slitiny, založené na principu konfigurační entropie . Ve srovnání s konvenčními slitinami mají HEAS výrazné koncepty designu a jedinečné vlastnosti . Jejich jedinečnost lze pochopit z následujících čtyř aspektů:
(1) Charakteristiky složení
HEAS zahrnuje více hlavních prvků pro zavedení chemické poruchy, bez jediného dominantního prvku . Na rozdíl od tradičních slitin, které obvykle mají primární základní prvek, se skládají z několika hlavních legovacích prvků . Klíčové charakteristiky návrhu kompozice HEAM zahrnují:
1. Slitina musí obsahovat nejméně pět různých prvků .
2. Atomové procento každého prvku musí být mezi 5% a 35% .
(2) Rozvojové charakteristiky
Jak výzkum postupuje, koncept vysokorychlopických slitin se vyvinul ve třech hlavních fázích:
První generace Heas:
Skládá se z pěti nebo více legujících prvků .
Prvky jsou ekviatomické (stejné atomové poměry) .
Struktura: Jednofázová komplexní slitina solidního roztoku .
Druhá generace HEAS:
Skládá se ze čtyř nebo více legovacích prvků .
Poměry ne ekviatomického prvku .
Struktura: Slitina solidního roztoku s duální fází nebo vícefázové komplexní komplex .
Třetí generace HEAS:
Rozšířeno na tenké filmy a keramiku s vysokou entropií .
(3) Strukturální charakteristiky
Navzdory jejich vícenásobným elementárním složkám tvoří slitiny s vysokou entropií obvykle relativně jednoduché fázové struktury po tuhnutí . Náhodně rozpuštěným pevným roztokem je charakteristická struktura HEA, často vykazující:
Struktury zaměřené na obličej (FCC)
Struktury kubické (BCC) zaměřené na tělo
HEXAGONÁLNÍ KONTROLY (HCP)
Kromě toho se amorfní fáze mohou také vytvořit v některých heas .
Závěr
High-entropy alloys represent a revolutionary advancement in the field of alloy materials. Their unique composition, novel design approach, and promising properties make them highly valuable for next-generation structural and functional materials. With ongoing research, HEAs are expected to play a critical role in applications ranging from aerospace and automotive industries to energy, electronics, and biomedical Fields .
Obrázek 1 Fázová struktura slitiny s vysokou entropií
(4) Ověřené charakteristiky výkonu
Výzkum ukázal, že slitiny s vysokou entropií (HEAS) mají řadu vyšších vlastností ve srovnání s tradičními slitinami . V současné době bylo vědecky potvrzeno pět hlavních výkonnostních účinků HEA:
1.
2. tepelná stabilita
3. Radiační odpor
4. Odolnost proti korozi
5. zmírnění efektu kompromisu výkonu
4. Praktické aplikace: Kde jsou slitiny s vysokou entropií
Unikátní principy návrhu slitin s vysokou entropií jim poskytují řadu vynikajících vlastností, včetně vynikajícího mechanického výkonu s nízkou teplotou, korozí a odolnosti proti opotřebení, vysokoteplotní stability a výjimečných měkkých magnetických vlastností . Tyto výhody poskytují jejich pozoruhodné prohlédnutí v inženýrských aplikacích . Pojďme na to, kde je třeba pomyslet na jejich pozoruhodné, a to je vysoce. schopnosti .
(1) Měkké magnetické materiály s vysokou entropií
Měkké magnetické materiály se vyznačují dosažením maximální magnetizace s minimálními vnějšími magnetickými polími . Snadno se magnetizují a demagnetizují, takže je široce používají v elektrických a elektronických zařízeních .
Studie ukázaly, že určité systémy s vysokou entropickou slitinou vykazují vynikající měkké magnetické vlastnosti . Navíc pomáhají překonat nedostatky konvenčních měkkých magnetických materiálů, jako jsou špatné mechanické vlastnosti a nestabilní lití výkonnost . V důsledku
(2) Materiály slitiny s vysokou teplotou
Slitiny s vysokou teplotou jsou kovové materiály, které mohou pracovat při vysokých teplotách a specifické stresové podmínky po delší dobu . Tyto slitiny vyžadují:
Výjimečná síla vysoké teploty
Vynikající oxidace a tepelná odolnost proti korozi
Dobrá odolnost proti únavě a houževnatost zlomenin
Jsou nezbytné pro komponenty horkého konce motoru. Výzkum naznačuje, že vysokéntropní slitiny vykazují pozoruhodnou tepelnou stabilitu a odolnost proti oxidaci při zvýšených teplotách. Tento průlom nabízí nové možnosti pro vývoj komponentů, které fungují v extrémních prostředích, jako jsou:
Lopatky turbíny motoru
Vysokoteplotní inženýrské materiály
(3) Tvrdé povlaky na nástroje
Tvrdé potahy nástrojů zahrnují uložení vysoké tvrdosti, tenké vrstvy odolné slitiny odolné vůči opotřebení na povrchu řezných nástrojů za účelem ochrany otáčení, frézování, hoblování a broušení . Vysoká vysoká tvrdost a heas je činí ideálními kandidáty pro takové povlaky, což je efektivně zvyšuje výkon nástrojů a longvity . .
(4) Vysoko-entropické fototermální přeměnu materiálů
Fototermální konverze se týká procesu soustředění energie slunečního záření prostřednictvím odrazu, absorpce nebo jiných mechanismů k dosažení dostatečných vysokých teplot a splnění různých energetických požadavků .
Vzhledem k tvrdým servisním podmínkám fototermálních materiálů musí ukázat:
Vynikající vysokoteplotní stabilita
Vynikající odolnost proti korozi
Koeficient nízkého tepelné roztažení
Silný odolnost proti povětrnostním povětrnostem
Studie prokázaly, že tenké filmy s vysokou entropickou slitinou mají vynikající odolnost proti korozi a stabilitu s vysokou teplotou, takže jsou vysoce slibné pro zlepšení účinnosti fototermální konverze a prosazování aplikací sluneční energie .
Obrázek 2: Trubice sběru tepla fototermálního převodníku
(5) Lehké materiály s vysokou entropií
Lehký je důležitý směr pro vývoj budoucích materiálů . V posledních letech byly studovány také z lehkých materiálů s vysokou entropií a začaly být komercializovány . Časté příklady zahrnují případy mobilního telefonu, sloty pro mobilní telefonní karty a další přesné části .
Obrázek 3 Razítka pouzdra na mobilní telefon
(6) Jiné aplikace
Slitiny s vysokou entropií mají také velký potenciál v několika dalších oborech, včetně:
Svařovací materiály s vysokou entropií
Slitiny s nízkou aktivací s vysokou entropií
Plísní materiály
Katalytické materiály
Polovodičové difúzní bariérové vrstvy
5. Budoucnost vysoce entropických slitin
Jak lze dále rozvíjet slitiny s vysokou entropií (HEAS)? Tato otázka je pro vědce primárním zájmem při rozvoji nové třídy materiálů . Výběr správného směru výzkumu je nezbytný pro dosažení maximálního pokroku s minimálním úsilím, což umožňuje HEAS hrát významnější roli v aplikacích každodenního života a národní obrany .
Při pohledu dopředu existují dva klíčové směry rozvoje, které si zaslouží největší pozornost:
(1) Identifikace nákladově nejefektivnější oblasti výkonu
Od tradičních slitin až po slitiny s vysokou entropií se materiály vyvinuly podél trendu rostoucí entropie . Experimentální výsledky však naznačují, že vztah mezi mícháním entropie a materiálovým výkonem je nelineární {. v jednoduchých podmínkách, vyšší míchací entropie není nutně překládána do lepšího výkonu slitiny .}}}}}}}}}}}}}}}}
Slepě sledující vyšší entropii nezaručuje neomezenou optimalizaci vlastností materiálu . navíc, jak se zvyšuje entropie, také počet složek, které přímo zvyšují výrobní náklady na slitinu., to znamená, že zaměření pouze na vysokou entropii může vést k tomu, že je to zaostření, a to může zaostřit, a to může být zaostřeno oběma investicí a jak se zabývají, a na to, že jsou to, že jsou to, že je to, že je to, že se zabývají oběma, a to, že se zaostřují oba a jsou zaostřeny, a na to, že se zaostřují oba, a na to, že se zaostřují, a zaostřují se, a na to, že se zaostřují, a to, že se zaměřují na cenu. výsledek . "
Podle statistických analýz není nákladově nejefektivnější oblast v doméně slitiny s vysokou entropií, ale spíše na hranici mezi slitinami střední entropie a slitinami s vysokou entropií . Tato oblast zahrnuje materiály, jako jsou::
Slitiny s vysokou teplotou
Amorfní slitiny
Nerezové oceli
Střední entropie slitin
Tyto materiály nabízejí lepší rovnováhu mezi náklady a výkonem, díky čemuž je tato přechodná oblast kritickou oblastí pro budoucí vývoj materiálů .
Obrázek 4 „Nákladová efektivita“ materiálů ze slitin
(2) Vývoj vysoce účinných metod výzkumu materiálu
Slitiny s vysokou entropií (HEAS) vykazují vynikající mechanické vlastnosti, vysokoteplotní rezistenci, odolnost proti opotřebení a odolnost proti korozi, což je velmi slibné v různých oborech . Nicméně výzkum s vysokou entropií slitinových tenkých filmů je však stále v jeho časných stádiích a jejich průmyslová aplikace zůstává prací, které mají v porovnání s tradičními, a jejich zmocnění je stále v průmyslovém stavu, a jejich zbývající kompozice, a jejich zbývá, a jejich zmocnění je však v průmyslovém stavu, a jejich zbývající kompozice, a jejich zbývá, a jejich zbývající je, a jejich zbývá, a jejich zbývající kompozice, a jejich počáteční je však v průmyslových aplikacích, a jejich zbývá, a jejich složitá, a jejich zbývající kompozice, a jejich zbývá, a jejich zbývající je, a jejich zbývající kompozice, a jejich z nich je stále v průmyslové aplikaci. Vlastnosti nesledují lineární vztah s entropií . V důsledku toho není možné navrhnout vysoce výkonné vícesložkové materiály založené pouze na míchání entropie .
Návrh a vývoj materiálu je časově náročný proces, takže zlepšení účinnosti výzkumu je klíčovým faktorem při zrychlení pokroku HEAS .
Role vysoce výkonné technologie
V této souvislosti se stává přijetí technologie s vysokým výkonným (HT) nezbytným ., ale co přesně je vysoce výkonná technologie a jak může urychlit vývoj materiálu?
Pokud porovnáme materiály slitiny s oceánem a vývoj nových systémů slitiny s rybolovem, pak tradiční přípravné metody jsou jako rybaření s prutem, kde vědci mohou získat pouze jeden systém slitiny najednou . Tento přístup „one-at-time“ výrazně zpomaluje výzkum materiálu .
Nyní si představte, že pokud by vědci mohli místo použití rybářského prutu vrhnout síť, což jim umožní zachytit více systémů slitin v jediném pokusu . Tento přístup by výrazně zvýšil účinnost výzkumu . vysoce výkonné technologie, což by bylo jednou na dramatickém zrychlení vývoje HEAS}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} „
Světlá budoucnost pro slitiny s vysokou entropií
HEAS jsou v rychlé růstové fázi, přičemž Čína se dnes objevuje jako hlavní síla v globálním výzkumu ., jako vycházející hvězda oboru materiálů, Heas nadále přitahuje pozornost vědců po celém světě .
Ačkoliv mnoho výzev zůstává, neodradili výzkumníky od tlačení vpřed . jako nová hranice v materiálech ze slitin, Heas drží nesmírný potenciál a slib pro budoucnost . Jejich záhady čekají na nerozpadnutí a jejich možnosti jsou připraveny-jste připraveni prozkoumat jejich neznámý brilance?