1. nguồn gốc của tên
Là một ngôi sao đang lên trong lĩnh vực vật liệu hợp kim, sự ra đời của các hợp kim trung tâm cao (HEAS) có liên quan chặt chẽ với khái niệm entropy . nhưng chính xác là entropy là gì? Trước khi tiết lộ những bí ẩn của các hợp kim trung tâm cao, trước tiên hãy khám phá thế giới của Entropy .
Khái niệm về entropy được giới thiệu bởi nhà vật lý người Đức Rudolf Clausius trong 1865. trong nhiệt động lực học, entropy là một tham số mô tả mức độ rối loạn trong hệ thống-rối loạn càng lớn, entropy . càng cao, càng cao {}}}}
Để hiểu rõ hơn về khái niệm này, hãy sử dụng lớp giáo dục thể chất (PE) làm ví dụ:
Trạng thái entropy thấp: Khi tất cả học sinh mặc đồng phục giống nhau chỉ với một vài ngoại lệ, đứng thành hàng gọn gàng và thực hiện các bài tập khởi động trong một sự hình thành nhỏ gọn, phạm vi chuyển động của chúng bị hạn chế và entropy của hệ thống thấp .}
Trạng thái trung tâm cao: Khi học sinh mặc nhiều trang phục, phân tán sau khi hình thành bị loại bỏ và tham gia vào các hoạt động tự do, phạm vi chuyển động tăng lên và lớp học trở nên rối loạn hơn, dẫn đến trạng thái trung tâm cao .
Bằng cách tương tự, chúng ta có thể nghĩ về mỗi học sinh như một đơn vị nguyên tử trong hợp kim . Khi các nguyên tử được sắp xếp một cách có trật tự, tương tự như sinh viên đứng trong hệ thống hợp kim ở trạng thái entropy thấp .
So với các hợp kim thông thường, người mới này với thế giới hợp kim có giá trị entropy cao hơn . Do đó, các nhà khoa học đã đặt tên là hợp kim entropy cao . Khái niệm về hợp kim entropy cao, hãy khám phá cách vật liệu hấp dẫn này được phát hiện .}
2. Khám phá các hợp kim entropy cao
Nền tảng để khám phá các hợp kim trung tâm cao đã được đặt vào đầu thế kỷ 18
Mãi đến năm 1963, Giáo sư Cyril Stanley Smith (Smith, 1963) mới nhận thấy và báo cáo nghiên cứu này . dựa trên các hồ sơ thử nghiệm hiện có, giờ đây người ta tin rằng đây là một trong những nghiên cứu sớm nhất liên quan đến hợp kim trung tâm cao .}
Thật không may, do sự thiếu chú ý, tiến bộ đối với các hợp kim trung tâm cao bị đình trệ trong nhiều thập kỷ Cấu trúc . Đồng thời, học giả Đài Loan Yeh Jien-Wei và nhóm của ông đã giới thiệu một hợp kim thiết kế hợp kim sáng tạo với nhiều yếu tố chính và các yếu tố pha trộn cao, mà chúng đặt tên là hợp kim entropy cao .}}
Tuy nhiên, tiến trình khoa học thường mất thời gian . Mặc dù đã giới thiệu khái niệm này, các kết quả nghiên cứu liên quan vẫn chưa được công bố trong nhiều năm .
Cuối cùng, vào năm 2004, Giáo sư Cantor từ Vương quốc Anh đã thực hiện một thí nghiệm trong đó ông đã làm tan chảy một hợp kim entropy hỗn hợp cao . một cách đáng ngạc nhiên, thay vì hình thành cấu trúc vô định hình dự đoán Chính thức đánh dấu sự ra đời của các hợp kim trung tâm cao .
Để giải thích hiện tượng hấp dẫn này, Giáo sư Zhang Yong thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh đã cung cấp những hiểu biết về lý thuyết, đặt nền tảng cho nghiên cứu thêm về HEAS . Kể từ đó, các hợp kim hóa học cao đã xuất hiện như một ngôi sao sáng trong lĩnh vực của các vật liệu hợp kim {
Khi sự nhiệt tình nghiên cứu phát triển, khái niệm hợp kim trung tâm cao đã nhanh chóng mở rộng thành các lĩnh vực liên quan như:
Gốm sứ cao
Phim mỏng entropy
Thép kết xâm nhập cao
Các siêu hợp đồng cấp cao
Hợp kim hạng nhẹ dựa trên Al-Mg
Hợp kim cứng entropy
3. Đặc điểm độc đáo của hợp kim nhập cao
Hợp kim đầu vào giới thiệu một quan điểm mới trong thiết kế hợp kim, dựa trên nguyên tắc entropy cấu hình . so với các hợp kim thông thường, có thể hiểu được các khái niệm thiết kế đặc biệt và tính chất độc đáo . của chúng có thể được hiểu từ bốn khía cạnh sau::
(1) Đặc điểm thành phần
HEAS kết hợp nhiều yếu tố chính để giới thiệu rối loạn hóa học, không có phần tử thống trị duy nhất . Không giống như các hợp kim truyền thống, thường có phần tử cơ sở chính, HEAS bao gồm nhiều phần tử hợp kim chính . đặc điểm chính của thiết kế thành phần HEA bao gồm:
1. Hợp kim phải chứa ít nhất năm phần tử khác nhau .}
2. Tỷ lệ phần trăm nguyên tử của mỗi phần tử phải nằm trong khoảng từ 5% đến 35% .}
(2) Đặc điểm phát triển
Khi nghiên cứu tiến triển, khái niệm hợp kim trung tâm cao đã phát triển qua ba giai đoạn chính:
Thế hệ đầu tiên Heas:
Bao gồm năm phần tử hợp kim trở lên .
Các phần tử là Equiatomic (tỷ lệ nguyên tử bằng nhau) .
Cấu trúc: Hợp kim dung dịch rắn một pha .
Thế hệ thứ hai Heas:
Bao gồm bốn hoặc nhiều phần tử hợp kim .
Tỷ lệ phần tử không cân bằng .
Cấu trúc: Hợp kim dung dịch rắn pha kép hoặc đa pha .
Thế hệ thứ ba Heas:
Mở rộng thành các màng mỏng và gốm sứ entropy cao .
(3) Đặc điểm cấu trúc
Mặc dù có nhiều thành phần nguyên tố, các hợp kim entropy cao thường tạo thành các cấu trúc pha tương đối đơn giản khi hóa rắn . Một giải pháp rắn hòa tan ngẫu nhiên là cấu trúc đặc trưng của HEAS, thường thể hiện:
Các cấu trúc khối (FCC) tập trung vào mặt
Cấu trúc khối tập trung vào cơ thể (BCC)
Cấu trúc đóng gói hình lục giác (HCP)
Ngoài ra, các pha vô định hình cũng có thể hình thành trong một số Heas .
Phần kết luận
Hợp kim entropy thể hiện sự tiến bộ mang tính cách mạng trong lĩnh vực vật liệu hợp kim . Thành phần độc đáo của chúng, phương pháp thiết kế mới và các đặc tính đầy hứa hẹn làm cho chúng có giá trị cao đối với các vật liệu cấu trúc và chức năng thế hệ tiếp theo, với các công việc điện trở nên Các trường .
Hình 1 Cấu trúc pha của hợp kim entropy cao
(4) Đặc điểm hiệu suất được xác minh
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hợp kim trung tâm cao (HEAS) sở hữu nhiều tính chất vượt trội so với các hợp kim truyền thống . Hiện tại, năm hiệu ứng hiệu suất chính của HEAS đã được xác nhận một cách khoa học:
1. Năng lượng lỗi xếp chồng thấp
2. độ ổn định nhiệt
3. Điện trở bức xạ
4. Kháng ăn mòn
5. Giảm thiểu hiệu ứng đánh đổi hiệu suất
4. Các ứng dụng thực tế
Các nguyên tắc thiết kế độc đáo của các hợp kim entropy cao cấp cho chúng một loạt các tính chất nổi bật, bao gồm hiệu suất cơ học nhiệt độ thấp tuyệt vời, chống ăn mòn và chống mài mòn, độ ổn định nhiệt độ cao và các tính chất từ tính đặc biệt của nó Khả năng .
(1) Vật liệu từ tính mềm entropy
Các vật liệu từ tính mềm được đặc trưng bằng cách đạt được từ hóa tối đa với từ trường bên ngoài tối thiểu . Chúng dễ dàng từ hóa và khử từ, làm cho chúng được sử dụng rộng rãi trong thiết bị điện và điện tử .
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một số hệ thống hợp kim entropy nhất định thể hiện các tính chất từ tính mềm tuyệt vời . Ngoài ra, chúng giúp khắc phục những thiếu sót của vật liệu từ tính mềm thông thường, chẳng hạn như tính chất cơ học kém và hiệu suất đúc không ổn định .
(2) Vật liệu hợp kim nhiệt độ cao
Hợp kim nhiệt độ cao là các vật liệu kim loại có thể hoạt động trong nhiệt độ cao và các điều kiện ứng suất cụ thể trong thời gian dài . Những hợp kim này yêu cầu:
Sức mạnh nhiệt độ cao đặc biệt
Quá trình oxy hóa tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn nhiệt
Khả năng chống mệt mỏi tốt và độ dẻo dai
Chúng không thể thiếu đối với các thành phần kết thúc nóng động cơ . nghiên cứu chỉ ra rằng các hợp kim entropy cao thể hiện sự ổn định nhiệt đáng chú ý và điện trở oxy hóa ở nhiệt độ cao . BREAKITHER này cung cấp các khả năng mới để phát triển các thành phần hoạt động trong môi trường cực đoan,
Tua bin động cơ
Vật liệu kỹ thuật nhiệt độ cao
(3) Lớp phủ công cụ cứng
Lớp phủ công cụ cứng liên quan đến việc lắng đọng lớp mỏng, độ cứng, chất chống mài mòn lên các bề mặt dụng cụ cắt để bảo vệ xoay, phay, lập kế hoạch và mài các công cụ . Độ cứng và sức mạnh cao của việc HEAS làm cho chúng ứng cử viên lý tưởng cho các lớp phủ như vậy, tăng cường hiệu quả công cụ và tuổi thọ
(4) Vật liệu chuyển đổi quang nhiệt tích phân cao
Chuyển đổi quang nhiệt đề cập đến quá trình tập trung năng lượng bức xạ mặt trời thông qua sự phản xạ, hấp thụ hoặc các cơ chế khác để đạt được nhiệt độ đủ cao và đáp ứng các nhu cầu năng lượng khác nhau .}
Do các điều kiện dịch vụ khắc nghiệt của vật liệu quang nhiệt, chúng phải trưng bày:
Tính ổn định nhiệt độ cao tuyệt vời
Kháng ăn mòn vượt trội
Hệ số giãn nở nhiệt thấp
Kháng thời tiết mạnh mẽ
Các nghiên cứu đã chứng minh rằng các màng mỏng hợp kim cao có khả năng chống ăn mòn nổi bật và độ ổn định nhiệt độ cao, khiến chúng rất hứa hẹn để cải thiện hiệu quả chuyển đổi quang nhiệt và thúc đẩy các ứng dụng năng lượng mặt trời .
Hình 2: Ống thu thập nhiệt của bộ chuyển đổi quang nhiệt
(5) Vật liệu hợp kim entropy cao nhẹ
Nhẹ là một hướng quan trọng để phát triển các vật liệu trong tương lai . Trong những năm gần đây, các hợp kim entropy cao cũng đã được nghiên cứu cho các vật liệu nhẹ và đã bắt đầu được thương mại hóa
Hình 3 Vỏ điện thoại di động đóng dấu
(6) Các ứng dụng khác
Hợp kim trung tâm cao cũng có tiềm năng lớn trong một số lĩnh vực khác, bao gồm:
Vật liệu hàn trung tâm cao
Hợp kim trung tâm kích hoạt thấp
Vật liệu khuôn
Vật liệu xúc tác
Các lớp rào cản khuếch tán chất bán dẫn
5. Tương lai của các hợp kim trung tâm cao
Làm thế nào có thể phát triển thêm các hợp kim (HEAS) có thể được phát triển hơn nữa? Câu hỏi này là mối quan tâm chính đối với các nhà khoa học khi tiến hành một lớp vật liệu mới . Chọn hướng nghiên cứu đúng là rất cần thiết để đạt được tiến bộ tối đa với nỗ lực tối thiểu, cho phép Heas đóng vai trò quan trọng hơn trong cuộc sống hàng ngày và các ứng dụng quốc phòng .}
Nhìn về phía trước, có hai hướng phát triển chính xứng đáng được chú ý nhất:
(1) Xác định khu vực hiệu suất hiệu quả nhất về chi phí
Từ các hợp kim truyền thống đến hợp kim entropy cao, các vật liệu đã phát triển theo xu hướng tăng entropy . Tuy nhiên, kết quả thử nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa trộn entropy và hiệu suất vật liệu là không nhất thiết
Theo đuổi một cách mù quáng, entropy cao hơn không đảm bảo tối ưu hóa không giới hạn các thuộc tính vật liệu . hơn nữa, khi entropy tăng, số lượng các yếu tố cấu thành, điều này làm tăng chi phí sản xuất của hợp kim {1} Kết quả . "
Theo các phân tích thống kê, khu vực tiết kiệm chi phí nhất không nằm trong miền hợp kim trung tâm cao mà là ở ranh giới giữa các hợp kim trung bình và hợp kim trung tâm cao . Vùng này bao gồm các vật liệu như:
Hợp kim nhiệt độ cao
Hợp kim vô định hình
Thép không gỉ
Hợp kim trung bình
Những vật liệu này cung cấp sự cân bằng tốt hơn giữa chi phí và hiệu suất, làm cho khu vực chuyển tiếp này trở thành một khu vực quan trọng để phát triển vật liệu trong tương lai .
Hình 4 "Hiệu quả chi phí" của vật liệu hợp kim
(2) Phát triển các phương pháp nghiên cứu vật liệu hiệu quả cao
Hợp kim entropy (HEAS) thể hiện tính chất cơ học nổi bật, khả năng chống nhiệt độ cao, kháng mòn và kháng ăn mòn, khiến chúng rất hứa hẹn trong các lĩnh vực khác nhau . Các thuộc tính của chúng không tuân theo mối quan hệ tuyến tính với entropy . do đó, không thể thiết kế các vật liệu đa thành phần hiệu suất cao chỉ dựa trên sự pha trộn entropy .}
Thiết kế và phát triển vật liệu là một quá trình tốn thời gian, vì vậy cải thiện hiệu quả nghiên cứu là một yếu tố chính trong việc tăng tốc sự tiến bộ của HEAS .
Vai trò của công nghệ thông lượng cao
Trong bối cảnh này, việc áp dụng công nghệ thông lượng cao (HT) trở thành thiết yếu . nhưng chính xác công nghệ thông lượng cao là gì và làm thế nào nó có thể tăng tốc phát triển vật liệu?
Nếu chúng ta so sánh các vật liệu hợp kim với một đại dương và sự phát triển của các hệ thống hợp kim mới với việc đánh bắt cá, thì các phương pháp chuẩn bị truyền thống giống như câu cá bằng một cây gậy, trong đó các nhà nghiên cứu chỉ có thể có được một hệ thống hợp kim tại một thời điểm . cách tiếp cận "một lần" này làm chậm nghiên cứu vật liệu .}}}
Bây giờ, hãy tưởng tượng nếu các nhà nghiên cứu có thể sử dụng mạng thay vì sử dụng cần câu, cho phép họ nắm bắt được nhiều hệ thống hợp kim trong một lần thử . Cách tiếp cận này sẽ tăng cường hiệu quả nghiên cứu .
Một tương lai tươi sáng cho các hợp kim entropy cao
HEAS đang trong giai đoạn tăng trưởng nhanh chóng, với Trung Quốc nổi lên như một lực lượng chính trong nghiên cứu toàn cầu . ngày nay, khi ngôi sao đang lên của lĩnh vực khoa học vật liệu, Heas tiếp tục thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên toàn thế giới .}
Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức, nhưng họ đã không ngăn cản các nhà nghiên cứu đẩy về phía trước . như một biên giới mới trong các vật liệu hợp kim, hãy giữ tiềm năng to lớn và hứa hẹn cho tương lai . Bí ẩn của họ đang chờ đợi để làm sáng tỏ, và khả năng của họ là không giới hạn-bạn sẵn sàng khám phá sự sáng chói của họ?