一、【導(dǎo)讀】

自2004年高熵合金（High-entropy alloy, HEA）的概念被提出以來(lái)，這種多組元合金因其優(yōu)異的力學(xué)、物理以及電化學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。人們普遍認(rèn)為，將多種不同尺寸的元素合金化到一個(gè)共同的晶格中會(huì)導(dǎo)致晶格扭曲，使組成原子偏離其理想位置，從而產(chǎn)生晶格畸變效應(yīng)。一方面，晶格畸變效應(yīng)會(huì)在HEA中產(chǎn)生高度波動(dòng)的彈性應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)，這已被證明對(duì)位錯(cuò)行為至關(guān)重要。另一方面，晶格畸變有助于穩(wěn)定熱力學(xué)非平衡態(tài)，降低電子和離子等活性物質(zhì)的能壘。因此，具有畸變晶格的HEA相比傳統(tǒng)合金表現(xiàn)出更吸引人的多功能特性，例如超彈性、優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性、出色的熱電性能、獨(dú)特的耐輻照性和優(yōu)秀的催化效率，從而具有更加靈活的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，新開(kāi)發(fā)的單相B2 (CoNi)50(TiZrHf)50 HEA由于嚴(yán)重的晶格畸變而表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非磁性Elinvar效應(yīng)。此外，F(xiàn)CC Cantor合金 (FeCoNiCrMn)還以其在低溫下的高斷裂韌性和耐輻照性的結(jié)合而聞名。

二、【成果掠影】

香港城市大學(xué)楊勇教授團(tuán)隊(duì)對(duì)表現(xiàn)出嚴(yán)重晶格畸變的多功能HEA進(jìn)行了系統(tǒng)性綜述，涵蓋了為理解晶格畸變而開(kāi)發(fā)的理論模型、用于表征晶格畸變的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法、晶格畸變對(duì)合金性能的影響，以及畸變高熵合金的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。通過(guò)這篇綜述文章，作者希望能夠促進(jìn)對(duì)晶體固體中扭曲晶格的進(jìn)一步研究。

相關(guān)研究工作以“Multifunctional High Entropy Alloy Enabled by Severe Lattice Distortion”為題發(fā)表在Advanced materials上。

三、【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

1.從基礎(chǔ)的角度對(duì)晶格畸變進(jìn)行了全面討論，深入探討了其物理本質(zhì)以及各種表征手段。

2.重點(diǎn)討論了晶格畸變對(duì)HEA多功能性的影響，包括傳輸性能、耐輻照性和催化性能。

3.概述了設(shè)計(jì)具有畸變晶格的HEA的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。

四、【數(shù)據(jù)概覽】

圖1 (a)溶質(zhì)原子大于溶劑原子的傳統(tǒng)固溶體合金，(b)溶質(zhì)原子小于溶劑原子的傳統(tǒng)固溶體合金，以及(c)高熵合金中的局域畸變晶格的示意圖。(d)多元合金系統(tǒng)中經(jīng)歷體積變化和形狀變化的晶格示意圖。

圖2 (a)平均“基體”中單一溶質(zhì)產(chǎn)生的位移場(chǎng)。(b)位置i處原子的位移是由所有周圍溶質(zhì)在該位置產(chǎn)生的位移之和。(c)最大原子和(d)最小原子處的立體角示意圖。是平均原子半徑。

圖3 具有嚴(yán)重晶格畸變的隨機(jī)固溶體與含化學(xué)短程有序（Chemical short-range ordering, CSRO）的具有較小晶格畸變的固溶體的示意圖。

圖4 (a)彈性模量與屈服強(qiáng)度的Ashby圖。插圖是(CoNi)50(TiZrHf)50的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)(CoNi)50-x(TiZrHf)50Fex (x=0、2、5和10) 合金與其他中熵合金（MEA）和塊體金屬玻璃（BMG）的彈性模量-溫度關(guān)系的比較。E0為室溫下的彈性模量。(c)晶格畸變HEA中彈性模量與溫度的關(guān)系與其他Elinvar合金的對(duì)比。

圖5 (a)應(yīng)變?yōu)?0.57% 時(shí)微柱中的位錯(cuò)構(gòu)型。(b)異質(zhì)應(yīng)變場(chǎng)下Frank-Read源的位錯(cuò)構(gòu)型。 紅線和藍(lán)線表示長(zhǎng)度為1,500和2,000b的FR源，b是Burgers矢量的大小。(c)交滑移和雙交滑移過(guò)程。(d)由于多次的雙交滑移，錯(cuò)位上出現(xiàn)了許多割階。

圖6 (a)Ni和NiCoFeCrMn輻照后的橫截面的TEM圖像。藍(lán)色框突出顯示了空隙區(qū)域。 2016 Springer Nature. (b)輻照后Ni、NiCo、NiCoCr和NiCoFeCrMn的表面形貌。

圖7 (a) CoO {111}-Ov表面的氫吸附自由能(ΔGH*)與拉伸應(yīng)變。{111}-Ov上的表面氧空位濃度約為11.1%。  (b)能量圖顯示拉伸應(yīng)變對(duì)后過(guò)渡金屬d帶位置的影響。2017 Springer Nature. (c)含Pt/Pd HEA的HAADF-STEM圖像和對(duì)應(yīng)的應(yīng)變圖。

圖8 機(jī)器學(xué)習(xí)模型的示意圖。

五、【成果啟示】

HEA具有復(fù)雜的化學(xué)成分，從而產(chǎn)生以晶格畸變?yōu)樘卣鞯莫?dú)特晶體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特征對(duì)HEA的各種物理和力學(xué)性能具有深遠(yuǎn)的影響，包括彈性、屈服強(qiáng)度、應(yīng)變硬化機(jī)制、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)、導(dǎo)熱性、耐輻照性和催化性能。在傳統(tǒng)合金中，晶格畸變主要是由溶質(zhì)原子引起的，從而產(chǎn)生與Eshelby理論一致的明確定義的彈性應(yīng)變場(chǎng)。然而，在HEA中，晶格畸變表現(xiàn)出高度波動(dòng)的彈性應(yīng)變場(chǎng)，這使得利用經(jīng)典模型來(lái)研究結(jié)構(gòu)-性能的相關(guān)性具有挑戰(zhàn)性。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，人們采用了各種原子模擬和最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)表征HEA中的晶格畸變，并從崎嶇的勢(shì)能角度了解它如何影響晶體缺陷（例如位錯(cuò)）的運(yùn)動(dòng)。這些研究表明，HEA中嚴(yán)重的晶格畸變可能導(dǎo)致相比于傳統(tǒng)合金前所未有的獨(dú)特的多功能特性。

然而，過(guò)度的晶格畸變會(huì)導(dǎo)致晶格失穩(wěn)，引發(fā)相變甚至非晶化。此外，晶格畸變也可以與化學(xué)有序或CSRO結(jié)合起來(lái)。在某些HEA中，例如Elinvar合金Co-Ni-Ti-Zr-Hf-Fe，CSRO的形成可以減少晶格畸變，這不利于HEA的超彈性。因此，理解晶格畸變和CSRO之間的相互作用對(duì)于推進(jìn)多功能HEA的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。在作者看來(lái)，通過(guò)晶格畸變?cè)O(shè)計(jì)多功能HEA的關(guān)鍵在于最大化原子尺寸失配，同時(shí)確保畸變晶格的穩(wěn)定性。然而，這兩個(gè)目標(biāo)經(jīng)常發(fā)生沖突，需要在設(shè)計(jì)晶格畸變誘導(dǎo)多功能的HEA時(shí)進(jìn)行權(quán)衡。

原文詳情： https://doi.org/10.1002/adma.202305453