1. Pochodzenie nazwy
Jako wschodząca gwiazda w dziedzinie materiałów stopowych narodziny stopów wysokiej entropii (HEA) są ściśle powiązane z koncepcją entropii ., ale czym dokładnie jest entropia? Przed odsłonięciem tajemnic stopów wysokiej entropii, najpierw zbadajmy świat entropii .
Pojęcie entropii zostało wprowadzone przez niemieckiego fizyka Rudolfa Clausiusa W 1865. W termodynamice entropia jest parametrem opisującym stopień zaburzenia w systemie-im większy zaburzenie, im wyższa entropia .
Aby lepiej zrozumieć tę koncepcję, wykorzystajmy klasę wychowania fizycznego (PE) jako przykład:
Stan niskiej entropii: Gdy wszyscy uczniowie noszą ten sam mundurek z kilkoma wyjątkami, stań w schludnych rzędach i wykonują ćwiczenia rozgrzewki w kompaktowej formacji, ich zakres ruchu jest ograniczony, a entropia systemu jest niska .
Stan wysokiej entropii: Kiedy uczniowie noszą różne stroje, rozproszyj się po odrzuceniu formacji i angażuje się w wolne działania, zakres ruchu wzrasta, a klasa staje się bardziej nieuporządkowana, co powoduje stan wysokiej entropii .
Analogicznie możemy myśleć o każdym uczniu jako o jednostce atomowej w stopniu ., gdy atomy są ułożone w uporządkowany sposób, podobne do uczniów stojących w formacji, system stopu jest w stanie niskiej entropii ., gdy atomy są losowo dystrybuowane i poruszają się swobodnie, system dociera się do wysokiego poziomu..
W porównaniu z konwencjonalnymi stopami, ten nowicjusz do świata stopu ma wyższą wartość entropii . Dlatego naukowcy materiałów nazwali go stopem wysokiej entropii . W tym kontekście „Wysoka entropia” odnosi się do wysokiego stopnia zaburzenia chemicznego lub topologicznego w zaburzeniu atomowym, co oznacza aranżowanie atomowe w alloy, jest bardzo chaotyczne {{3 {3 {3 {3 {3 {3 { Pojęcie stopów wysokiej entropii, zbadajmy, w jaki sposób odkryto ten fascynujący materiał .
2. Odkrycie stopów wysokiej entropii
Podstawa odkrywania stopów o wysokiej zawartości została ułożona już w późnym XVIII wieku . niemiecki naukowiec i metalurga Franz Karl Achard przeprowadził innowacyjne badanie, w którym przygotował serię stopów wieloczynnikowych {., jednak to, co przeważyło, było gruntowne przemieszczone przez metalurgistów {{..
Dopiero w 1963 r. Profesor Cyryl Stanley Smith (Smith, 1963) zauważył i zgłosił te badania . w oparciu o istniejące zapisy eksperymentalne, uważa się, że było to jedno z najwcześniejszych badań związanych z stopami wysokiej entropii .}
Niestety, z powodu braku uwagi, postęp na stopach wysokiej entropii zatrzymywany przez dziesięciolecia . Dopiero w latach 90. zainteresowanie stopami o wysokiej zawartości entropii zostało ponownie wzbudzone . w 1993 r. Naukowcy na uniwersytecie w Cambridge zaproponowali „zasadę zamieszania”, sugerując, że stopni są większe utworzenie amortycznie. Struktury . W tym samym czasie tajwański uczony Yeh Jien-Wei i jego zespół wprowadzili innowacyjne stopy projektowania koncepcji ze stopu z wieloma głównymi elementami i entropią o wysokim mieszaniu, które nazwali stopami wysokiej entropii .}
Jednak postęp naukowy często wymaga czasu . Pomimo wprowadzenia tej koncepcji, powiązane wyniki badań pozostały niepublikowane przez lata .
Wreszcie, w 2004 r., Profesor Cantor z Wielkiej Brytanii przeprowadził eksperyment, w którym stopił stopę o wysokiej miksingu-entropii . Zaskakująco, Zamiast tworzyć przewidywaną strukturę amorficzną, stop, który rozwinął wiele kruchej krystalicznej fazy . To odkrycie, że stwierdziło to, że to odkrycie zaprzeczało zasady zamieszania Oznaczono narodziny stopów wysokiej entropii .
Aby wyjaśnić to fascynujące zjawisko, profesor Zhang Yong z University of Science and Technology Pekin dostarczył teoretyczne spostrzeżenia, kładąc podstawę do dalszych badań na temat HEA ., a stopy o wysokiej entropii pojawiły
W miarę wzrostu entuzjazmu badań koncepcja stopów wysokiej entropii szybko rozszerzyła się na powiązane pola, takie jak:
Ceramika o wysokiej entropii
Cienkie wargi wysoko entropii
STALE WYSOKIEJEGO
Superalloys o wysokiej entropii
Lekkie stopy wysokiej entropii oparte na AL-MG
Stopy twarde o wysokiej entropii
3. Unikalne cechy stopów wysokiej entropii
Stopy wysokiej entropii wprowadzają nową perspektywę w projektowaniu stopu, oparta na konfiguracji zasady entropii . w porównaniu z stopami konwencjonalnymi, HEA mają charakterystyczne koncepcje projektowe i unikalne właściwości . Można zrozumieć z następujących czterech aspektów:
(1) Charakterystyka składu
HEA obejmują wiele głównych elementów w celu wprowadzenia zaburzeń chemicznych, bez jednego dominującego elementu . w przeciwieństwie do tradycyjnych stopów, które zazwyczaj mają podstawowy element podstawowy, HEA składają się z wielu głównych elementów stopowych . Kluczowe cechy projektu kompozycji HEA obejmują:
1. Stop musi zawierać co najmniej pięć różnych elementów .
2. Procent atomowy każdego elementu musi wynosić od 5% do 35% .
(2) Charakterystyka rozwoju
Wraz z postępem badań koncepcja stopów wysokiej entropii ewoluowała w trzech głównych etapach:
Heas pierwszej generacji:
Składa się z pięciu lub więcej elementów stopowych .
Elementy są równoznaczne (równe wskaźniki atomowe) .
Struktura: jednofazowy złożony stop stały rozwiązanie .
Heas drugiej generacji:
Składają się z czterech lub więcej elementów stopowych .
Współczynniki elementu nieekwestoatomicznego .
Struktura: podwójny lub wielofazowy złożony stop stały rozwiązanie .
Heas trzeciego pokolenia:
Rozszerzone na cienkie folie i ceramikę o wysokiej zawartości .
(3) Charakterystyka strukturalna
Pomimo wielu elementów elementarnych stopów o wysokiej zawartości entropii zwykle tworzą stosunkowo proste struktury fazowe po zestaleniu . losowo rozpuszczonym rozwiązaniem stałym jest charakterystyczna struktura HEA, często wykazująca:
Struktury sześcienne (FCC) skoncentrowane na twarzy
Struktury sześcienne (BCC) skoncentrowane na ciele
Struktury sześciokątne (HCP)
Dodatkowo fazy amorficzne mogą również tworzyć się w niektórych ludziach .
Wniosek
Stopy o wysokiej entropii stanowią rewolucyjny postęp w dziedzinie materiałów stopowych . ich unikalny skład, nowatorskie podejście do projektowania i obiecujące właściwości sprawiają, że są one bardzo cenne dla przemysłu strukturalnego i funkcjonalnego nowej generacji po przemysł energetyczny i funkcjonalny, a biurowe i biurowe, a biurowe, a bilioodawcy, a bilii bilidterowe i biurowe, biurowe i biurowe, biurowe i biurowe. pola .
Ryc. 1 Struktura fazowa stopu wysokiej entropii
(4) zweryfikowane charakterystyki wydajności
Badania wykazały, że stopy o wysokiej zawartości (HEA) mają liczne właściwości wyższe w porównaniu z tradycyjnymi stopami . obecnie naukowo potwierdzono pięć głównych efektów HEA:
1. Energia błędów w stos
2. stabilność termiczna
3. Odporność na promieniowanie
4. Oporność na korozję
5. łagodzenie efektu kompromisowego wydajności
4. Praktyczne aplikacje: gdzie lśnią stopy wysokiej entropii
Unikalne zasady projektowania stopów o wysokiej zawartości entropii dają im szereg znakomitych nieruchomości, w tym doskonałą wydajność mechaniczną w niskiej temperaturze, korozję i odporność na zużycie, stabilność wysokiej temperatury i wyjątkowe miękkie właściwości magnetyczne . Zalety te dają ogromny potencjał w zastosowaniach inżynieryjnych.}} Wypastrucz niektóre kluczowe field, w których zdezorientowanie ich wysokości. Niezwykłe możliwości .
(1) Miękkie materiały magnetyczne o wysokiej zawartości entropii
Miękkie materiały magnetyczne charakteryzują się osiągnięciem maksymalnego magnetyzacji za pomocą minimalnych zewnętrznych pól magnetycznych . są łatwe do magnetyzacji i demagnetyzacji, dzięki czemu są szeroko stosowane w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych .
Badania wykazały, że niektóre systemy stopów o wysokiej zawartości entropii wykazują doskonałe miękkie właściwości magnetyczne . Dodatkowo pomagają one przezwyciężyć niedociągnięcia konwencjonalnych miękkich materiałów magnetycznych, takich jak złe właściwości mechaniczne i niestabilna wydajność rzucania ., w rezultacie Błęsze utrzymują duży potencjał zastosowań w elektrycznych systemach, transformatorach i innych sektorach przemysłowych.}
(2) Materiały stopowe o wysokiej temperaturze
Stopy w wysokiej temperaturze to materiały metali, które mogą działać w wysokich temperaturach i warunkach naprężeń dla dłuższych okresów ., te stopy wymagają:
Wyjątkowa siła wysokiej temperatury
Doskonałe utlenianie i odporność na korozję termiczną
Dobra odporność na zmęczenie i wytrzymałość złamań
Są one niezbędne dla komponentów na gorąco silnika . Badania wskazują, że stopy wysokiej zawartości wykazują niezwykłą stabilność termiczną i opór utleniania w podwyższonych temperaturach . Przełom oferuje nowe możliwości opracowywania komponentów, które działają w ekstremalnych środowiskach, takich jak::
Ostrza turbiny silnika
Materiały inżynieryjne o wysokiej temperaturze
(3) Hard narzędziowe powłoki
Ciężkie powłoki narzędzi obejmują osadzanie wysokiej jakości, odpornej na zużycie cienkiej warstwy stopu na powierzchniach narzędzi tnących w celu ochrony narzędzi zwrotnych, frezowania, planowania i szlifowania . Wysoka twardość i siła HEA sprawiają, że są idealnymi kandydatami na takie powłoki, skutecznie zwiększając wydajność narzędzi i długowieczność .}
(4) Fototermiczne materiały do konwersji fotototermicznej wysokiej entropii
Konwersja fototermiczna odnosi się do procesu koncentracji energii promieniowania słonecznego poprzez odbicie, wchłanianie lub inne mechanizmy w celu osiągnięcia wystarczająco wysokich temperatur i zaspokojenia różnych wymagań energii .
Ze względu na surowe warunki obsługi materiałów fototermicznych muszą one wykazać:
Doskonała stabilność w wysokiej temperaturze
Najwyższy odporność na korozję
Niski współczynnik rozszerzalności termicznej
Silny odporność na pogodę
Badania wykazały, że cienkie folie ze stopu wysokiego entropii mają wyjątkową odporność na korozję i stabilność w wysokiej temperaturze, co czyni je wysoce obiecującymi dla poprawy wydajności konwersji fototermicznej i postępów w zakresie energii słonecznej .
Rysunek 2: Rurka zbierająca ciepło konwertera fototermicznego
(5) Lekkie materiały ze stopów wysokiej entropii
Lekkie jest ważnym kierunkiem rozwoju przyszłych materiałów . W ostatnich latach, wysokie stopy entropii zostały również zbadane pod kątem lekkich materiałów i zaczęły być komercjalizowane . Wspólne przykłady obejmują przypadki telefonów komórkowych, gniazda karty telefonów mobilnych i inne precyzyjne części .}
Rysunek 3 Stemping obudowy telefonu komórkowego
(6) Inne aplikacje
Stopy o wysokiej entropii mają również duży potencjał w kilku innych dziedzinach, w tym:
Materiały spawalnicze o wysokiej zawartości
Niski aktywacja stopów wysokiej entropii
Materiały do formy
Materiały katalityczne
Warstwy bariery dyfuzji półprzewodników
5. przyszłość stopów wysokiej entropii
W jaki sposób można dalej rozwijać stopy o wysokiej zawartości (HEA)? To pytanie jest głównym problemem naukowców podczas rozwijania nowej klasy materiałów . Wybór właściwego kierunku badań jest niezbędne do osiągnięcia maksymalnego postępu przy minimalnym wysiłku, umożliwiając HEA odgrywanie bardziej znaczącej roli w codziennym życiu i obronie narodowej .
Patrząc w przyszłość, istnieją dwa kluczowe kierunki rozwoju, które zasługują na największą uwagę:
(1) Zidentyfikowanie najbardziej opłacalnego regionu wydajności
Od tradycyjnych stopów po stopy wysokiej entropii, materiały ewoluowały wzdłuż trendu rosnącej entropii . Jednak wyniki eksperymentalne wskazują, że związek między entropią a wydajnością materialną jest nieliniowy . w prostych kategoriach, wyższe mieszanie entropii niekoniecznie przekładają się na lepszą wydajność alloy
Ślepe dążenie do wyższej entropii nie gwarantuje nieograniczonej optymalizacji właściwości materialnych . Ponadto, wraz ze wzrostem entropii, podobnie jak liczba elementów składowych, które bezpośrednio podnosi koszty produkcji stopni . Oznacza to, że skupienie się wyłącznie na wysokiej entropii może prowadzić do wysokiej entropii, a także o wysokiej entropii, może to oboje i oba inwestycje, a także inwestycje i inicjowanie obu inwestycji i wynik . ”
Według analiz statystycznych najbardziej opłacalny region nie znajduje się w domenie stopu wysokiej entropii, ale raczej na granicy między stopami średniej entropii i stopami wysokiej entropii . Region ten obejmuje materiały takie jak:
Stopy w wysokiej temperaturze
Stopnie amorficzne
Stale nierdzewne
Stopy średniego entropii
Materiały te oferują lepszą równowagę między kosztami a wydajnością, dzięki czemu ten region przejściowy jest kluczowym obszarem dla przyszłego rozwoju materiałów .
Rycina 4 „Opłacalność” materiałów stopowych
(2) Opracowanie wysokowydajnych metod badawczych
Stopy o wysokiej zawartości (HEAS) wykazują wyjątkowe właściwości mechaniczne, oporność wysokiej temperatury, odporność na zużycie i odporność na korozję, czyniąc je wysoce obiecującymi w różnych polach . Jednak badania na temat tradycyjnych folii z wysokiej zawartości stłumionek są nadal w jego wczesnych stadiach, a ich zastosowanie przemysłowe pozostają w toku. Kompozycje, a ich właściwości nie są zgodne z liniową relacją z entropią . W rezultacie niemożliwe jest zaprojektowanie wysokowydajnych materiałów wieloskładnikowych opartych wyłącznie na mieszaniu entropii .
Projektowanie i rozwój materiału jest czasochłonnym procesem, więc poprawa wydajności badań jest kluczowym czynnikiem przyspieszenia postępu HEA .
Rola wysokiej przejazdu technologii
W tym kontekście przyjęcie technologii o wysokiej przepustowości (HT) staje się niezbędne ., ale czym dokładnie jest technologia o wysokiej przepustowości i jak może przyspieszyć rozwój materiału?
Jeśli porównamy materiały stopowe z oceanem i opracowywanie nowych systemów stopu do połowów, tradycyjne metody przygotowania są jak połowy z prętem, w którym naukowcy mogą uzyskać tylko jeden system stopu na raz . to podejście „jeden w czasie” znacznie spuści badania materialne .
Teraz wyobraź sobie, że naukowcy mogliby rzucić sieć zamiast używać wędki, umożliwiając im przechwytywanie wielu systemów stopu w jednej próbie . To podejście znacznie zwiększyłoby efektywność badań . Technologia wysokiej przepustowości jest zgodna z podobną zasadą, umożliwiając równoległe przygotowanie wielu systemów stolicowych, a zatem dramatycznie ocenia rozwój.}}}}}}}}}}}}}}}}}}
Świetlaną przyszłość stopów o wysokiej entropii
HEA są w fazie szybkiego wzrostu, a Chiny pojawiają się jako główna siła w badaniach globalnych ., jako wschodząca gwiazda pola Science, HEA nadal przyciąga uwagę naukowców na całym świecie .
Chociaż pozostaje wiele wyzwań, nie zniechęciło badaczy od podnoszenia do przodu . jako nowej granicy w materiałach aluminiowych, HEAS mają ogromny potencjał i obietnicę przyszłości . ich tajemnice czekają na rozwiązywanie, a ich możliwości są nieograniczone, czy jesteś gotowy na eksplorację ich nieznanego błyskotliwości?