1. Ursprung des Namens
Als steigender Stern im Bereich von Legierungsmaterialien ist die Geburt von Hochentropielegierungen (HEAS) eng mit dem Konzept der Entropie . verbunden, aber was genau ist Entropie? Bevor Sie die Geheimnisse von Hochentropie-Legierungen enthüllen, werden wir zunächst die Welt der Entropie . erkunden
Das Konzept der Entropie wurde vom deutschen Physiker Rudolf Clausius in {1865. In der Thermodynamik eingeführt. Entropie ist ein Parameter, der den Grad der Störung in einem System beschreibt-je größer die Störung, desto höher die Entropie .
Um dieses Konzept besser zu verstehen, verwenden wir als Beispiel eine Sportklasse für Sportunterricht (PE):
Zustand mit niedrigem Entropie: Wenn alle Schüler die gleiche Uniform mit nur wenigen Ausnahmen tragen, in ordentlichen Reihen stehen und Aufwärmübungen in einer kompakten Formation durchführen, ist ihr Bewegungsbereich begrenzt und die Entropie des Systems ist niedrig .}
Hoch-Entropie-Zustand: Wenn die Schüler eine Vielzahl von Outfits tragen, dispergieren nach der Entlassung der Formation und nimmt freie Aktivitäten zu, die Bewegungsbereich nimmt zu, und die Klasse wird mehr ungeordnet, was zu einem hochentropischen Zustand führt .}}}}}}}}}}
In Analogie können wir uns jeden Schüler als Atomeinheit in einer Legierung vorstellen . Wenn Atome in geordneter Weise angeordnet sind, ähnlich wie in der Bildung stehend, befindet sich das Legierungssystem in einem niedrigen Entropiezustand . Umgekehrt, wenn Atome zufällig verteilt sind und sich frei bewegen, erreicht sich die Systems einen hohen Entropy {4 {{}, {4
Im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen hat dieser Neuling in der Legierungswelt einen höheren Entropiewert .. Daher nannten Materialwissenschaftler mit hoher Entropie-Legierung . In diesem Kontext "Hohe Entropie" bezieht sich auf den hohen Grad der chemischen oder topologischen Störung. Legierungen mit hoher Entropie, erforschen wir, wie dieses faszinierende Material entdeckt wurde .
2. Die Entdeckung von Hochentropielegierungen
Die Grundlage für die Entdeckung von Hochentropielegierungen wurde bereits im späten 18. Jahrhundert gelegt.
Erst 1963 bemerkte Professor Cyril Stanley Smith (Smith, 1963) diese Forschung . basierend auf vorhandenen experimentellen Aufzeichnungen, es wird nun angenommen, dass dies eine der frühesten Studien war
Leider wurde aufgrund mangelnder Aufmerksamkeit die Fortschritte bei Hochentropielegierungen, die seit Jahrzehnten stillgelegt wurden. ., wurde erst in den 1990er Jahren das Interesse an Hochentropie-Legierungen wiederholt. Gleichzeitig führten der taiwanesische Gelehrte Yeh Jien-Wei und sein Team ein innovatives Konzept entworfener Legierungen mit innovativem Legierungsdesign vor
Der wissenschaftliche Fortschritt braucht jedoch oft Zeit . Trotz der Einführung dieses Konzepts blieben die verwandten Forschungsergebnisse für Jahre nicht veröffentlicht. .
Schließlich führte Professor Cantor aus Großbritannien ein Experiment durch, in dem er überraschenderweise eine hohe Mixing-Entropie-Legierung schmolz, anstatt die erwartete amorphe Struktur zu bilden, die legierte Legierung entwickelte mehrfache bröster kristalline Phasen. markierte die Geburt von Hochentropielegierungen .
Um dieses faszinierende Phänomen zu erklären, lieferte Professor Zhang Yong von der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking theoretische Erkenntnisse und legte die Grundlage für weitere Untersuchungen zu Heas . seitdem haben Hochentropielegierungen als leuchtender Stern auf dem Gebiet der Legierungsmaterialien gekommen {.
Mit zunehmender Forschungsbegeisterung hat sich das Konzept der Hochentropie-Legierungen schnell zu verwandten Feldern wie:
Hochentropie Keramik
Dünnfilme mit hoher Entropie
Stähle mit hoher Entropie
High-Entropy-Superlegierungen
Al-Mg-basierte Hochentropie-Leichtmetalllegierungen
Hardlegierungen mit hoher Entropie
3. Eindeutige Eigenschaften von Hochentropielegierungen
Hochentropie-Legierungen führen eine neuartige Perspektive im Legierungsdesign ein, basierend auf dem Konfigurations-Entropie-Prinzip . im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen, Heas-Merkmale von charakteristischen Designkonzepten und einzigartigen Eigenschaften {. ihre Einzigartigkeit kann aus den folgenden vier Aspekten verstanden werden:
(1) Kompositionseigenschaften
Heas enthält mehrere Hauptelemente, um eine chemische Störung einzuführen, ohne dass im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen, die typischerweise ein primäres Basiselement haben, aus mehreren Hauptlegungselementen . Schlüsselmerkmale des HEA -Kompositionsdesigns enthalten:
1. Die Legierung muss mindestens fünf verschiedene Elemente enthalten .
2. Der atomare Prozentsatz jedes Elements muss zwischen 5% und 35% . liegen
(2) Entwicklungseigenschaften
Im Laufe der Forschung hat sich das Konzept von Hochentropielegierungen durch drei Hauptstadien entwickelt:
Heas der ersten Generation:
Bestehen aus fünf oder mehr Legierungselementen .
Elemente sind gleich (gleiche Atomverhältnisse) .
Struktur: Einzelphasenkomplex-Solid-Lösungs-Legierung .
HEAS der zweiten Generation:
Bestehen aus vier oder mehr Legierungselementen .
Nichtäquiatomische Elementverhältnisse .
Struktur: Dual-Phase- oder Mehrphasenkomplex-Solid-Lösung-Legierung .
HEAS der dritten Generation:
In dünne Filme und Keramik in hoher Entropie erweitert .
(3) strukturelle Eigenschaften
Trotz ihrer mehreren Elementarkomponenten bilden Hochentropielegierungen bei der Verfestigung . typischerweise relativ einfache Phasenstrukturen . Eine zufällig gelöste feste Lösung ist die charakteristische Struktur von HEAS, die häufig zeigt:
Gesichtszentrierte Kubikstrukturen (FCC)
Körperzentrierte Kubikstrukturen (BCC)
Hexagonale Nahverpackungsstrukturen (HCP)
Zusätzlich können sich amorphe Phasen auch in einigen Heas . bilden
Abschluss
Hochentropielegierungen stellen einen revolutionären Fortschritt auf dem Gebiet der Legierungsmaterialien dar. Felder .
Abbildung 1 Phasenstruktur einer hohen Entropielegierung
(4) überprüfte Leistungseigenschaften
Untersuchungen haben gezeigt, dass Hochentropielegierungen (Heas) im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen . derzeit zahlreiche überlegene Eigenschaften besitzen.
1. Niedrige Stapelfehlerergie
2. thermische Stabilität
3. Strahlungswiderstand
4. Korrosionswiderstand
5. Abschwächung des Leistungsabwehreffekts
4. Praktische Anwendungen: Wenn Hochentropielegierungen leuchten
Die einzigartigen Designprinzipien von Hochentropielegierungen gewähren ihnen eine Reihe ausstehender Eigenschaften, einschließlich einer ausgezeichneten mechanischen Leistung mit niedriger Temperatur, Korrosion und Verschleißresistenz, Hochtemperaturstabilität und außergewöhnlichen weichen magnetischen Eigenschaften. Funktionen .
(1) weiche magnetische Materialien mit hoher Entropie
Weichmagnetische Materialien sind durch Erreichen maximaler Magnetisierung mit minimalen externen Magnetfeldern . charakterisiert. Sie sind leicht zu magnetisieren und entmagnetisieren, so
Studien haben gezeigt, dass bestimmte Hochentropy-Legierungssysteme hervorragende weichmagnetische Eigenschaften aufweisen. Zusätzlich helfen sie, die Mängel herkömmlicher weichmagnetischer Materialien wie schlechte mechanische Eigenschaften und instabile Gussleistung . zu überwinden.
(2) Hochtemperaturlegierungsmaterialien
Hochtemperaturlegierungen sind Metallmaterialien, die unter hohen Temperaturen und spezifischen Spannungsbedingungen für verlängerte Perioden . Diese Legierungen erfordern können:
Außergewöhnliche Hochtemperaturstärke
Ausgezeichnete Oxidation und thermische Korrosionsbeständigkeit
Gute Müdigkeitsbeständigkeit und Frakturzähigkeit
Sie sind unverzichtbar für die Hot-End-Komponenten von Motor {. Forschungsergebnisse zeigen, dass Hochentropielegierungen bemerkenswerte thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweisen.
Motorturbinenklingen
Hochtemperaturtechnische Materialien
(3) Harte Werkzeugbeschichtungen
Hard-Werkzeugbeschichtungen beinhalten die Absicht einer hohen Härte, einer dünnen Legierungsschicht mit hoher Härte, zu schützen, zum Schutz von Turning, Mahlen, Planen und Schleifwerkzeugen ..
(4) Photothermische Umwandlungsmaterialien mit hoher Entropie
Die photothermische Umwandlung bezieht sich auf den Prozess der Konzentration der Sonnenstrahlungsenergie durch Reflexion, Absorption oder andere Mechanismen, um ausreichend hohe Temperaturen zu erreichen und verschiedene Energiebedarf zu decken .
Aufgrund der harten Servicebedingungen für photothermische Materialien müssen sie zeigen:
Ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität
Überlegene Korrosionsbeständigkeit
Niedriger thermischer Expansionskoeffizient
Starker Wetterwiderstand
Studien haben gezeigt, dass Dünnfilme mit hoher Entropie-Legierung über herausragende Korrosionsresistenz und Hochtemperaturstabilität verfügen, wodurch sie sehr vielversprechend für die Verbesserung der photothermen Umwandlungseffizienz und die Weiterentwicklung von Solarenergieanwendungen .} sind
Abbildung 2: Wärmeaufnahmerohr des Photothermenwandlers
(5) Leichte Materialien mit hoher Entropielegierungen
Leichte ist eine wichtige Richtung für die Entwicklung zukünftiger Materialien {. In den letzten Jahren wurden auch hohe Entropielegierungen für leichte Materialien untersucht und haben begonnen, kommerzialisiert zu sein.
Abbildung 3 Stempeln von Mobiltelefonkoffer
(6) Andere Anwendungen
Hochentropie-Legierungen haben auch in mehreren anderen Bereichen ein großes Potenzial, darunter:
Schweißmaterial mit Hochentropie
Legierungen mit niedriger Aktivierung von Hochentropie-Legierungen
Schimmelmaterialien
Katalytische Materialien
Halbleiterdiffusionsbarriereschichten
5. Die Zukunft von Hochentropielegierungen
Wie können Hochentropielegierungen (HEAS) weiterentwickelt werden? Diese Frage ist ein Hauptanliegen für Wissenschaftler, wenn eine neue Klasse von Materialien voranschreitet.
Mit Blick auf die Zukunft gibt es zwei wichtige Entwicklungsrichtungen, die die größte Aufmerksamkeit verdienen:
(1) Identifizierung der kostengünstigsten Leistungsregion
From traditional alloys to high-entropy alloys, materials have evolved along a trend of increasing entropy. However, experimental results indicate that the relationship between mixing entropy and material performance is nonlinear. In simple terms, a higher mixing entropy does not necessarily translate into better alloy performance.
Die blindende Verfolgung einer höheren Entropie garantiert nicht die unbegrenzte Optimierung der Materialeigenschaften .. Mit zunehmender Entropie steigt ebenso wie die Anzahl der Bestandteile, die die Produktionskosten der Labppe direkt erhöhen. Ergebnis . "
Nach statistischen Analysen befindet sich die kostengünstigste Region nicht in der Hochentropie-Legierungsdomäne, sondern an der Grenze zwischen Mittelstropielegierungen und Hochentropielegierungen . Diese Region enthält Materialien wie:
Hochtemperaturlegierungen
Amorphe Legierungen
Edelstähle
Legierungen mit mittlerer Entropie
Diese Materialien bieten ein besseres Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung und machen diese Übergangsregion zu einem kritischen Bereich für die zukünftige Materialentwicklung .
Abbildung 4 "Kosteneffizienz" von Legierungsmaterialien
(2) Entwicklung von materiellen Forschungsmethoden mit hoher Effizienz entwickeln
Hochentropielegierungen (Heas) zeigen herausragende mechanische Eigenschaften, Hochtemperaturresistenz, Verschleißresistenz und Korrosionsresistenz, was sie in verschiedenen Feldern sehr vielversprechend macht. Die Eigenschaften folgen daher nicht einer linearen Beziehung mit der Entropie .. Es ist unmöglich, Hochleistungs-Multikomponentenmaterialien zu entwerfen, die ausschließlich auf der Mischung von Entropie . basieren
Materialdesign und -entwicklung sind ein zeitaufwändiger Prozess, daher ist die Verbesserung der Forschungseffizienz ein Schlüsselfaktor für die Beschleunigung der Fortschritte von Heas .
Die Rolle der Hochdurchsatztechnologie
In diesem Zusammenhang wird die Einführung der Hochdurchsatz (HT) -Technologie essentiell ..
Wenn wir Legierungsmaterialien mit einem Ozean und der Entwicklung neuer Legierungssysteme mit dem Angeln vergleichen, sind traditionelle Vorbereitungsmethoden wie Fischen mit einer Stange, bei der Forscher nur ein Legierungssystem gleichzeitig erhalten können
Stellen Sie sich nun vor, die Forscher könnten ein Netz werfen, anstatt eine Fischereistange zu verwenden, sodass sie mehrere Legierungssysteme in einem einzigen Versuch erfassen können. .. Dieser Ansatz würde die Forschungseffizienz erheblich verbessern.
Eine glänzende Zukunft für Hochentropielegierungen
HEAS befindet sich in einer schnellen Wachstumsphase, wobei China heute als Hauptkraft der globalen Forschung . als steigender Stern des Materialwissenschaftsfeldes der Materialwissenschaft auftritt, und die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern weltweit .}}}}}}}} weiter auf sich zieht. .}.
Obwohl viele Herausforderungen bestehen bleiben, haben sie Forscher nicht davon abgehalten, . als neue Grenze in Legierungsmaterialien voranzutreiben, es haben ein immenses Potenzial und das Versprechen für die Zukunft.