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      1. 專題 | Nature封面報道高熵合金:更強、更韌、更具延展性
        2019-07-23 16:40:46 來源:《腐蝕防護之友》 分享至:

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        2016 年 5 月 18 日,Nature 封 面 報道了新加坡自由撰稿人 XiaoZhi Lim 的一 篇 題 為《Mixed-up metals make forstronger, tougher, stretchier alloys》(混合金屬制造更強、更硬、更具延展性的合金),介紹高熵合金相關進展。


        高熵合金概念由臺灣科學家葉均蔚于 1995 年提出的。高熵合金含有多種主要元素,每種元素介于 5%-35% 之間。傳統金屬則是以一種元素為主,而高熵合金是多元素共同作用的結果。所以高熵合金是一種顛覆數千年以來的合金制備方法。與傳統合金相比,高熵合金表現出更高的強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕等等。


        但是,高熵合金的機理及其科學問題尚未得到很好的理解。目前的高熵合金體系也只是通過“雞尾酒”方法調配而成 , 還沒有科學系統的選擇合金元素的理論。


        以下是整理的 Nature 文章內容:


        咋眼一看,這個設備更像是在建造一個微型景觀。一圈噴嘴對從四個噴管噴出的金屬粉末加熱,形成往下的光束。


        混合物進而凝聚成晶粒,形成一個逐步生長的柱狀合金。當合金有 2 厘米高時,平臺將其托到一遍,設備接著建造另一個。


        整個結果看起來是一個摩天大樓模型。


        這些金屬柱子由位于 Lowa 的美國Ames 國家實驗室建造,它反應了科學家們在對待合金上的重大改變。


        制造合金的標準配方技術從遠古鑄劍到制造現代制造發動機引擎葉片一直在沿用,也就是將有用的金屬并混合一系列提升性能的東西,例如在鐵中加碳制成鋼。


        但 Ames 的設備正在制造高熵合金實驗樣品,它由四個、五個,甚至更多的元素以嚴格的相同的比例混合而成。


        這種簡單的配方可以出產那些比傳統材料更輕、更強的合金,并且更耐腐蝕、耐輻照等等。最終,研究者們希望這個方法能夠出產與以往完全不同的磁性或電性能的合金,并形成新一代技術。


        北京科技大學新金屬國家重點實驗室張勇認為“我們幾乎已經探索過傳統金屬的所有方面,而對于高熵合金這方面的研究是全新的。”高熵合金尚未從實驗室推廣到市場,不過有研究者們正在朝這方面努力,期望在高溫爐襯和超輕型航天材料等方面獲得潛在應用。而這些領域同樣在中國、歐洲、美國等地獲得了資金支持。


        帕特森空軍基地實驗室材料科學家Daniel Miracle 認為“我們并不是在談論一種材料,而是上升到如何混合元素的哲學。”


        找到新而激動的東西的機會是很高的。去年,他和同事們估計過從一組 26個元素中,抽取 3、4、5、6 種金屬元素等量混合,可得到大約313560種合金。


        更大的數量的合金可以擴展元素的選擇得到。


        但德國波鴻魯爾大學的材料工程師Easo Georg 認為并不是所有的混合都能奏效。科學家們仍在研究哪些是有效而哪些不是。他認為“可探索的空間仍然是非常巨大的,而我們目前只看到一小部分宇宙。”


        高熵合金的想法是 1995 年 Jien-Wei Yeh 提出來的。Yeh 認為,傳統合金的物理性能已經得到了很好的研究,在原子層面上,純金屬有規律的晶體結構,由理想原子一層堆一層堆出。有時,這些層相互之間很容易滑動,表現到金屬就是非常軟而不能用。這就是純金僅僅只能用在珠寶上。但是金屬中添加了不同原子尺寸的元素之后,加入者隨機地阻止原子層,降低了滑動趨勢,從而創造了更硬的合金。精確的混合物可以讓冶金學家調控諸如腐蝕性能或者熔點等等性能。


        但是Yeh同樣提示了潛在的復雜性。


        如果太多的元素加入進去,原子相對于層而言不再隨機,進而轉變成主要金屬原子,成為規律性排布,讓混合物變脆。


        因此,這給了他一個觀點,與其一種主要材料混合少量的一到兩個元素,為什么不用四到五個甚至更多的元素以相同的比例混合?不同的原子有大量的可能性排列,從而導致錯亂,或者高熵,如此消除了任何形成規律性能晶體結構的傾向。因為每一種隨意的混合元素都是不同尺寸的,不太可能相互滑動,從而創造出非常硬的材料。


        當然,這在當時是一個很奇怪的想法,即使在自己的實驗室 Yeh 也未將之放到一個很高的優先級上。直到 2004 年他的研究團隊第一次報道了混合五到十種元素,得到的合金比不銹鋼更硬。其他團隊也在同期宣布得到了相近的結果。


        選擇太多了高熵合金領域得到了快速發展。在2009 年張勇報道了一種含鈷、鉻、銅、鐵、鎳、鋁的合金,比純鋁強十四倍,韌性是將近三倍。2011年,Yeh報道了鈷、鉻、鐵、鎳、鋁、鈦合金的抗磨性能是普通抗磨鋼的兩倍。2014 年,George 及其團隊研究的鈷、鉻、鐵、鎂、鎳合金在液氮溫度下也不會變脆。這個材料在低溫設備、天然氣管道和航天器等低溫設備上使用。


        大量的可能性是高熵合金的優點,但也是研究者們最大的挑戰。Miracle 認為,元素周期表上超過 80 種合金元素,有太多的合金而無法一一測試,也沒有足夠的時間。


        在為航空器引擎和航天框架研究高熵合金,他在搜尋更輕、更耐腐蝕,并能在高溫下保持強度。經過大量測試,Miracle 將范圍縮小到鈮、鉭、鉻等金屬,它們的熔點很高。


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        另一個戰略是復制目前已經了解的合金的性能。例如,有些鋼不僅僅是隨機混合原子,在快速冷卻時形成了小型的化合物。盡管這種化合物的穩定性不如隨機混合結構,但表現出比鋼更高的彈性。MIT金屬學家Cem Tasan曾經將鐵、鎂、鈷、鉻混合進高熵合金,得到了極度的高硬度和高彈性,而這兩個性能看起來似乎是完全相反的。Tasan 認為“放棄任何我們知道的知識是不明智的”。


        Ames 中的迷你摩天樓意味著另一種更系統化的方法。Ames 的設備可在不到一個小時內建造 30 個合金柱,每一個的原材料只有細微的差別,如此研究者們可以快速的測試合金的性能。


        Ames 材料科學家 Matthew Kramer正在主導一個研究:尋找可以抵御高溫和腐蝕的高熵合金,以幫助火電廠在高溫下更有效運作。


        而協助他的團隊的是 Ames 的理論學 家 Duane。 在 1995 年,Johnson 發 明了一套運算法則,在傳統合金制造出來之前預測性能。2015 年,他擴展了適用高熵合金的運算法。Johnson 的法則評定一個元素到何種程度就會被另一個吸引或者排斥,然后利用這個信息預測元素的混合是形成化合物、固溶體或兩者都有。如此讓 Kramer 的團隊確定哪種合金值得一試,進而實驗數據反饋給程序以修正,提高準確性。


        高熵合金領域前進道路上有大量障礙。目前關注點是提高結構性能,但對于特殊功能性能合金則沒有多少工作在做。


        盡管如此,還有大量的可能性需要探索,尤其是科學家們開始擴展最初的高熵合金的界定。例如,張在將碳、氮、硅混合進合金以研發新型的高溫陶瓷,用于光伏。不僅如此,包括 Tasan、Yeh在內,開始實驗混合大量元素但不是等比例的效果。初步結果顯示大多數合金仍然保持了高熵合金的性能。例如,Yeh 測試了一種抵御擦傷的新型超硬材料,50% 的氮、碳或者氧,以及一些其他元素如鋁、硅或者鈦組成,可用于機器部件和切割工具上的涂層。


        George 認為“我們現在有更豐富的領域要探索了。”


        原 文 參 考 地 址:Mixed-up metals make for stronger,tougher, stretchier alloys

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