世界上最“混乱”的合金是如何诞生的?

  都知道 " 合金 ",知道 " 高熵合金 " 吗?高熵合金的强度、硬度等力学性能比传统合金还要强。近日,中国科学院力学研究所造出了一种超硬(达到 48.3GPa)的高熵合金氮化物薄膜,以后可以用于航空航天、交通、能源等领域。

  传统合金由一或两种主要金属生成,其他元素的比例相对很低。而高熵合金则含有五种或五种以上等原子比或者接近等原子比的金属元素,各个元素的原子百分比在 5%-35% 之间。因此,它们也被称作多主元合金。

  2004 年,台湾新竹清华大学叶均蔚教授和英国牛津大学 Cantor 教授正式提出了多主元合金的设计理念。高熵合金和传统合金最大的不同是:主元素多,各元素随机地占据在晶格的位点上,这也是这类合金取名为 " 高熵 " 的一个缘由。大家知道," 熵 " 是一个热力学名词。简单来说," 熵 " 是表示体系混乱度的物理量,其大小能够影响体系的热力学稳定性。

  热力学知识告诉我们,当 N 种元素以等原子比随机互溶时,这个体系的混合熵达到极大值,为 RlnN(这里,R 为摩尔气体常数)。基于混合熵,人们对合金体系做了一个划分:混合熵 <1R,为低熵合金,由一种或者两种元素组成,这就是传统合金;1R< 混合熵 <1.5R,为中熵合金,由三种或四种元素组成;混合熵 >1.5R,为高熵合金,由至少五种元素组成。

  高熵合金的混合熵明显高于传统合金,从而对合金的相形成规律产生影响。因为随机互溶使合金系统的混乱度增加,降低了有序度和偏析(编者注:合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象)的形成。这反而促进了简单固溶体的形成,这就是高熵合金具有的 " 高熵效应 "。

  高熵合金的晶体结构比传统合金的晶体结构要 " 混乱 " 得多。因为它的混合熵最高,所以具有热力学的稳定性。有点奇怪吧?一个系统越混乱却越稳定,这就是 " 熵增定律 " 所致!这个被称为物理学的终极定律告诉我们:孤立系统总是趋向于熵增,最终达到熵的最大状态,也就是系统的最混乱无序状态。

  高熵合金的强度、硬度等力学性能比传统合金有很大的提高,因而引起了科学家的极大兴趣。短短的十余年间,就有 400 多种高熵合金问世,使得合金家族的成员数量提高了一个数量级!

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