高熵合金

高熵合金（英语：High-entropy alloys、HEAs）简称HEA，通常是由五种或五种以上等量或相对比例金属形成的新型合金。名为“高熵合金”是因为当混合物中存在大量元素混合时的熵增加实质上更高，并且比例更接近相等。^[2]

面心立方结构CoCrFeMnNi原子结构^[1]

由于高熵合金可能具有许多理想的性质，因此在材料科学及工程上相当受到重视^[3]。相对于以往的典型金属合金，合金主要的金属成分可能只有一至两种。例如会以铁为基础，再加入一些微量元素（碳、锰等）来提升其特性，但因此所得的还是以铁为主的合金^[3]，其他元素比例实际相当低。过往的概念中，若合金中加的金属种类越多，会使其材质脆化，但高熵合金和以往的合金不同，有多种金属却不会脆化，是一种新的材料^[1][3][4]。

研究发现有些高熵合金的比强度比传统合金好很多，而且抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性都比传统的合金要好。高熵合金在2004年以前就已问世，但在2010年代才有许多相关的研究^{[3][5][6][7][8][9]}。

发展

尽管早在1981年^[10]、1996年^[11]、以及整个1980年代就考究了理论上可以存在高熵合金。但制造出这些特殊合金，还要到2004年。

据说叶均蔚博士是在1995年驾车穿越新竹乡村时，想出了实际制造高熵合金方法。

高熵合金潜在应用包括用于潜艇、航天器、核武器、核反应堆^[12]、喷气式飞机、远程高超音速导弹等等。^[13][14]

在叶均蔚博士的论文发表几个月后，布赖恩·康托尔（英语：Brian Cantor）、I. T. H. Chang、P. Knight、A. J. B. Vincent提交了关于高熵合金的独立论文。

叶均蔚也是第一个提出“高熵合金”（英语：High-entropy alloys）一词的人，他将高构型熵归因于稳定固溶体相机制。^[15]

尽管布赖恩·康托尔（英语：Brian Cantor）直到2004年叶均蔚论文发表几个月后才发表论文，康托尔其实早在1970年代末1980年代初就完成了该领域的首项工作。康托尔由于不知道叶均蔚的工作，康托尔更喜欢称“高熵合金”为“多组分合金、多元合金”（英语：multicomponent alloys）。康托尔开发了高熵合金FeCrMnNiCo合金，类似的衍生物也被称为康托尔合金。^[16]

在将高熵合金和多组分系统归类为单独一类材料之前，核科学家已经研究了一种现在可以归类为高熵合金的系统：在核燃料晶界和裂变气泡处的Mo-Pd-Rh-Ru-Tc粒子。^[17]医疗行业对了解这些“五金属粒子”特别感兴趣，因为锝-99m是一种重要医学成像同位素。

定义

没有普遍认可的HEA定义。最初将HEA定义为含有至少5种元素且原子百分比5到35的合金。^[15]然而后来的研究表明，这个定义还可以扩展。建议只有形成没有金属间相的固溶体的合金才应该被认为是真正的高熵合金，因为有序相的形成会降低系统的熵。^[18]一些作者将四组分合金也描述为高熵合金^[19]也有建议只有2到4种元素合金满足HEA要求，也算高熵合金^[20]或理想气体常数1到1.5之间的混合熵也算^[21]“中熵合金”^[20]

合成

使用现有技术截至2018年 (2018-Missing required parameter 1=month!)^[update]难以制造高熵合金，并且通常需要昂贵的材料和特殊的加工技术。^[22]

高熵合金主要是使用依赖于金属相方法生产——如果金属在液态、固态、气态下合成。

• 大多数HEA已使用液相方法生产，包括电弧熔化（电弧炉）、感应熔化（感应炉（英语：induction furnace））、布里奇曼-史托巴格法。
• 固态加工通常通过使用高能球磨机的机械合金化（英语：Mechanical alloying）完成。这种方法生产的粉末可以使用传统的粉末冶金方法或放电等离子烧结（英语：Spark plasma sintering）进行加工。这种方法可以生产出使用铸造难以或不可能生产的合金，例如AlLiMgScTi。^[23][24][25]
• 气相处理包括溅镀或 分子束外延等工艺，可用于仔细控制不同的元素组成以获得高熵金属^[26]或陶瓷膜。^[23]

增材制造（立体打印）^[27][12]可产出具不同微观结构的合金，潜在地增加强度（1.3吉帕斯卡）、增加延展性^[28]

其他技术包括热喷涂、激光熔覆（英语：Cladding (metalworking)）和电镀。^[23][29]

例子

高熵合金薄膜例子：

合金	相态	硬度（吉帕斯卡）	相关模数（吉帕斯卡）	参考
CoCrFeMnNi	FCC	5.71	Er = 172.84	[30]
CoCrFeMnNiAl1.3	BCC	8.74	Er = 167.19	[30]
Al0.3CoCrFeNi	FCC + BCC	11.09	E = 186.01	[31]
CrCoCuFeNi	FCC + BCC	15	E = 181	[32]
CoCrFeMnNiTi0.2	FCC	8.61	Er = 157.81	[33]
CoCrFeMnNiTi0.8	无定形	8.99	Er = 151.42	[33]
CoCrFeMnNiV0.07	FCC	7.99	E = 206.4	[34]
CoCrFeMnNiV1.1	无定形	8.69	E = 144.6	[34]
(CoCrFeMnNi)99.5Mo0.5	FCC	4.62	Er = 157.76	[35]
(CoCrFeMnNi)85.4Mo14.6	无定形	8.77	Er = 169.17	[35]
(CoCrFeMnNi)92.8Nb7.2	无定形	8.1	Er ~105	[36]
TiZrNbHfTa	FCC	5.4	—	[37]
FeCoNiCrCuAlMn	FCC + BCC	4.2	—	[38]
FeCoNiCrCuAl0.5	FCC	4.4	—	[38]
AlCrMnMoNiZr	无定形	7.2	E = 172	[39]
AlCrMoTaTiZr	无定形	11.2	E = 193	[40]
AlCrTiTaZr	无定形	9.3	E = 140	[41]
AlCrMoNbZr	BCC + 无定形	11.8	—	[42]
AlCrNbSiTiV	无定形	10.4	E = 177	[43]
AlCrSiTiZr	无定形	11.5	E ~206	[44]
CrNbSiTaZr	无定形	20.12	—	[45]
CrNbSiTiZr	无定形	9.6	E = 179.7	[46]
AlFeCrNiMo	BCC	4.98	—	[47]
CuMoTaWV	BCC	19	E = 259	[48]
TiVCrZrHf	无定形	8.3	E = 104.7	[49]
ZrTaNbTiW	无定形	4.7	E = 120	[50]
TiVCrAlZr	无定形	8.2	E = 128.9	[51]
FeCoNiCuVZrAl	无定形	8.6	E = 153	[52]

合金	RN (%)	相态	硬度（吉帕斯卡）	相关模数（吉帕斯卡）	参考
(FeCoNiCuVZrAl)N	30	无定形	12	E = 166	[52]
(TiZrNbHfTa)N	25	FCC	32.9	—	[37]
(TiVCrAlZr)N	50	FCC	11	E = 151	[51]
(AlCrTaTiZr)N	14	FCC	32	E = 368	[41]
(FeCoNiCrCuAl0.5)N	33.3	无定形	10.4	—	[38]
(FeCoNiCrCuAlMn)N	23.1	无定形	11.8	—	[38]
(AlCrMnMoNiZr)N	50	FCC	11.9	E = 202	[39]
(TiVCrZrHf)N	3.85	FCC	23.8	E = 267.3	[49]
(NbTiAlSiW)N	16.67	无定形	13.6	E = 154.4	[53]
(NbTiAlSi)N	16.67	FCC	20.5	E = 206.8
(AlCrNbSiTiV)N	5	FCC	35	E ~ 337	[43]
	28	FCC	41	E = 360
(AlCrTaTiZr)N	50	FCC	36	E = 360	[54]
(Al23.1Cr30.8Nb7.7Si7.7Ti30.7)N50	—	FCC	36.1	E ~ 430	[55]
(Al29.1Cr30.8Nb11.2Si7.7Ti21.2)N50		FCC	36.7	E ~ 380
(AlCrSiTiZr)N	5	无定形	17	E ~ 232	[44]
	30	FCC	16	E ~ 232
(AlCrMoTaTiZr)N	40	FCC	40.2	E = 420	[40]
(AlCrTaTiZr)N	50	FCC	35	E = 350	[56]
(CrTaTiVZr)N	20	FCC	34.3	E ~ 268	[57]
(CrNbTiAlV)N	67.86	FCC	35.3	E = 353.7	[58]
(HfNbTiVZr)N	33.33	FCC	7.6	E = 270	[59]