1. Pôvod mena
Ako stúpajúca hviezda v oblasti zliatinových materiálov je narodenie zliatin s vysokým obsahom entropie (HEA) úzko spojené s konceptom entropie. Ale čo presne je entropia? Pred odhlásením tajomstiev zliatin s vysokým obsahom entropie sa najskôr preskúmajme svet entropie.
Koncept entropie predstavil nemecký fyzik Rudolf Clausius v roku 1865. V termodynamike je entropia parametrom, ktorý opisuje stupeň poruchy v systéme-väčšia porucha, čím vyššia je entropia.
Aby ste lepšie porozumeli tomuto konceptu, použite ako príklad triedu telesného vzdelávania (PE):
Stav s nízkou entropiou: Keď všetci študenti nosia rovnakú uniformu s iba niekoľkými výnimkami, postavte sa v úhľadných radoch a vykonávajú rozcvičovacie cvičenia v kompaktnej formácii, ich pohybový rozsah je obmedzený a entropia systému je nízka.
Vysoký entropický stav: Keď študenti nosia rôzne odevy, rozptýlia sa po prepustení formácie a zapoja sa do voľných aktivít, zvyšuje sa pohybový rozsah a trieda sa stáva viac neusporiadanou, čo vedie k stavu vysokej entropie.
Analogicky môžeme považovať každého študenta ako na atómovú jednotku v zliatine. Ak sú atómy usporiadané usporiadaným spôsobom, podobne ako študenti, ktorí stoja vo formácii, je zliatinový systém v stave nízkej entropie. Naopak, keď sú atómy náhodne distribuované a voľne sa pohybujú, systém dosiahne stav vysokej entropie.
V porovnaní s konvenčnými zliatinami má tento nováčik vo svete zliatiny vyššiu entropiu. Preto ho vedci v oblasti materiálov vymenovali z zliatiny s vysokou entropiou. V tejto súvislosti sa „vysoká entropia“ vzťahuje na vysoký stupeň chemickej alebo topologickej poruchy v atómovom meradle, čo znamená, že atómové usporiadanie v zliatine je vysoko chaotické. Teraz, keď sme predstavili koncept zliatin s vysokým obsahom entropie, preskúmajme, ako sa objavil tento fascinujúci materiál.
2. Objav zliatiny s vysokým obsahom entropie
Nadácia pre objavovanie zliatin s vysokým obsahom entropie bola položená už koncom 18. storočia. Nemecký vedec a metalurgista Franz Karl Achard uskutočnil inovatívnu štúdiu, v ktorej pripravil sériu viaczložkových zliatin obsahujúcich päť až sedem prvkov. Túto priekopnícku prácu však do značnej miery prehliadali metalurgisti na celom svete.
Až v roku 1963 si profesor Cyril Stanley Smith (Smith, 1963) všimol a nahlásil tento výskum. Na základe existujúcich experimentálnych záznamov sa teraz verí, že išlo o jednu z najstarších štúdií týkajúcich sa zliatin s vysokým obsahom entropie.
Bohužiaľ, kvôli nedostatku pozornosti sa pokrok v zliatinách s vysokým obsahom entropie po celé desaťročia zastavil. Až v 90. rokoch bol vládnutý záujem o zliatiny s vysokou entropiou. V roku 1993 vedci z University of Cambridge navrhli „princíp zmätku“, čo naznačuje, že zliatiny s vyššou entropiou budú s väčšou pravdepodobnosťou tvoriť amorfné štruktúry. Približne v rovnakom čase taiwanský učenec Yeh Jien-Wei a jeho tím predstavili inovatívne zliatiny koncepcie zliatiny s viacerými hlavnými prvkami a entropia s vysokou miešaním, ktoré pomenovali zliatiny s vysokým obsahom entropie.
Vedecký pokrok však často vyžaduje čas. Napriek zavedeniu tohto konceptu zostali súvisiace výskumné zistenia nepublikované roky.
Nakoniec v roku 2004 profesor Cantor z Veľkej Británie uskutočnil experiment, v ktorom roztavil zliatinu s vysokým obsahom entropie. Prekvapivo, namiesto vytvorenia očakávanej amorfnej štruktúry sa zliatiny vyvinuli viacnásobné krehké kryštalické fázy. Toto zistenie bolo v rozpore s zásadou zmätku, ale potvrdilo Yehovu teóriu dizajnu. Tento neočakávaný objav oficiálne znamenal narodenie zliatin s vysokým obsahom entropie.
Na vysvetlenie tohto fascinujúceho fenoménu poskytlo profesor Zhang Yong z University of Science and Technology Peking teoretické poznatky, čím položil základ pre ďalší výskum HEA. Odvtedy sa zliatiny s vysokým obsahom entropie objavili ako žiarivá hviezda v poli zliatinových materiálov.
Ako rastie výskumné nadšenie, koncept zliatin s vysokým obsahom entropie sa rýchlo rozšíril do súvisiacich oblastí, ako napríklad:
Keramika
Tenké filmy s vysokým obsahom entropie
Oceľové ocele
Super zliatiny
Ľahké zliatiny s vysokým obsahom entropie na báze AL-MG
Tvrdé zliatiny s vysokým obsahom entropie
3. Unikátne charakteristiky zliatin s vysokým obsahom entropie
Zliatiny s vysokým obsahom entropie predstavujú novú perspektívu v dizajne zliatiny na základe princípu konfiguračnej entropie. V porovnaní s konvenčnými zliatinami majú HEAS charakteristické koncepcie dizajnu a jedinečné vlastnosti. Ich jedinečnosť možno pochopiť z nasledujúcich štyroch aspektov:
(1) Charakteristiky zloženia
HEA zahŕňajú viac hlavných prvkov na zavedenie chemickej poruchy bez jediného dominantného prvku. Na rozdiel od tradičných zliatin, ktoré majú zvyčajne primárny základný prvok, HEAS pozostávajú z viacerých hlavných prvkov legovania. Kľúčové charakteristiky návrhu zloženia HEA zahŕňajú:
1. Zliatina musí obsahovať najmenej päť rôznych prvkov.
2. Atómové percento každého prvku musí byť medzi 5% a 35%.
(2) Vývojové charakteristiky
Ako výskum postupuje, koncept zliatin s vysokým obsahom entropie sa vyvinul v troch hlavných etapách:
Heas prvej generácie:
Pozostáva z piatich alebo viacerých zliatinových prvkov.
Prvky sú rovnocenné (rovnaké atómové pomery).
Štruktúra: Jednohatá zliatina komplexného komplexného tuhého roztoku.
Heas druhej generácie:
Pozostávajú zo štyroch alebo viacerých zliatinových prvkov.
Nerovodné pomery prvkov.
Štruktúra: zliatina s dvoma fázami alebo viacfázový komplexný komplexný zliatinu.
Heas tretej generácie:
Rozšírené na tenké filmy a keramiku s vysokým obsahom entropie.
(3) Štrukturálne charakteristiky
Napriek ich viacerým elementárnym zložkám sa zliatiny s vysokým obsahom entropie zvyčajne tvoria relatívne jednoduché fázové štruktúry po tuhnutí. Náhodne rozpustený tuhý roztok je charakteristická štruktúra HEA, ktorá často vykazuje:
Kubické (FCC) štruktúry zamerané na tvár
Kubické (BCC) štruktúry zamerané na telo
Šesťuholníkové štruktúry s blízkymi zabalenými (HCP)
Okrem toho sa v niektorých HEA môžu tvoriť aj amorfné fázy.
Záver
Zliatiny s vysokým obsahom entropie predstavujú revolučný pokrok v oblasti zliatinových materiálov. Ich jedinečné zloženie, nový dizajnový prístup a sľubné vlastnosti z nich robia veľmi cenné pre štrukturálne a funkčné materiály novej generácie. Očakáva sa, že s prebiehajúcim výskumom bude HEA zohrávať rozhodujúcu úlohu v aplikáciách od leteckého a automobilového priemyslu po energiu, elektroniku a biomedicínske oblasti.
Obrázok 1 Fázová štruktúra zliatiny s vysokou entropiou
(4) Overené charakteristiky výkonnosti
Výskum ukázal, že zliatiny s vysokým obsahom entropie (HEA) majú v porovnaní s tradičnými zliatinami početné vynikajúce vlastnosti. V súčasnosti bolo vedecky potvrdených päť hlavných výkonnostných účinkov HEAS:
1. Low Stohovanie poruchy energie
2. Termálna stabilita
3. Odolnosť
4. Odolnosť korózie
5. Účasť účinku kompromisu výkonnosti
4. Praktické aplikácie: kde žiaria zliatiny s vysokým obsahom entropie
Jedinečné princípy dizajnu zliatin s vysokým obsahom entropie im poskytujú celý rad vynikajúcich vlastností, vrátane vynikajúcich mechanických výkonov s nízkym teplotou, korózie a odolnosti proti opotrebeniu, stability s vysokou teplotou a výnimočných mäkkých magnetických vlastností. Tieto výhody poskytujú hase obrovský potenciál v inžinierskych aplikáciách. Preskúmajme niektoré kľúčové polia, kde zliatiny s vysokým obsahom entropie demonštrujú svoje pozoruhodné schopnosti.
(1) Mäkké magnetické materiály s vysokým obsahom entropie
Mäkké magnetické materiály sa vyznačujú dosiahnutím maximálnej magnetizácie s minimálnymi vonkajšími magnetickými poľami. Ľahko sa magnetizujú a demagnetizujú, vďaka čomu sú široko používané v elektrických a elektronických zariadeniach.
Štúdie ukázali, že určité zliatinové systémy s vysokým obsahom entropie vykazujú vynikajúce mäkké magnetické vlastnosti. Okrem toho pomáhajú prekonávať nedostatky konvenčných mäkkých magnetických materiálov, ako sú zlé mechanické vlastnosti a nestabilný výkon odlievania. Výsledkom je, že Heas má veľký potenciál pre aplikácie v elektrických motoroch, transformátoroch a iných priemyselných odvetviach.
(2) Materiály s vysokou teplotou zliatiny
Vysokoteplotné zliatiny sú kovové materiály, ktoré môžu pracovať pri vysokých teplotách a špecifických podmienkach stresu na dlhšie obdobia. Tieto zliatiny vyžadujú:
Výnimočná vysoká teplota
Vynikajúca oxidácia a odolnosť proti tepelnej korózii
Dobrá únava odolnosť a zlomenina
Sú nevyhnutné pre komponenty horúcich motorov. Výskum naznačuje, že zliatiny s vysokým obsahom entropie vykazujú pri zvýšených teplotách pozoruhodnú tepelnú stabilitu a oxidačnú odolnosť. Tento prielom ponúka nové možnosti vývoja komponentov, ktoré fungujú v extrémnych prostrediach, ako napríklad:
Čepele s motorovými turbínami
Inžinierske materiály s vysokou teplotou
(3) Tvrdé náradie náradia
Tvrdé nátery náradia zahŕňajú ukladanie vysokej tvrdosti, zliatiny odolnej voči opotrebeniu na povrchy rezných nástrojov na ochranu nástrojov natáčania, mletia, hobľovania a mletia. Vďaka vysokej tvrdosti a sile HEA sa z nich robí ideálnych kandidátov na takéto povlaky a efektívne zvyšujú výkon a dlhovekosť nástroja.
(4) Fototermálne konverzné materiály s vysokým obsahom entropie
Fotermálna premena sa týka procesu koncentrovania energie slnečného žiarenia prostredníctvom odrazu, absorpcie alebo iných mechanizmov na dosiahnutie dostatočne vysokých teplôt a spĺňanie rôznych energetických požiadaviek.
Kvôli tvrdým servisným podmienkam fototermálnych materiálov musia vykazovať:
Vynikajúca stabilita s vysokou teplotou
Vynikajúca odolnosť proti korózii
Koeficient nízkej tepelnej expanzie
Silný odpor počasia
Štúdie preukázali, že tenké filmy s vysokou entropiou majú vynikajúcu odolnosť proti korózii a stabilitu s vysokou teplotou, vďaka čomu sú veľmi sľubné na zlepšenie účinnosti fototermálnej konverzie a zvýšenie aplikácií solárnej energie.
Obrázok 2: Teplo zberná trubica fototermálneho prevodníka
(5) Ľahké materiály z ľahkej entropie zliatiny
Ľahké váhy je dôležitým smerom pre rozvoj budúcich materiálov. V posledných rokoch sa študovali aj zliatiny s vysokou entropiou na ľahké materiály a začali sa komercializovať. Bežné príklady zahŕňajú prípady mobilných telefónov, sloty kariet mobilných telefónov a ďalšie časti presnosti.
Obrázok 3 puzdro na pečiatku mobilných telefónov
(6) Iné aplikácie
Zliatiny s vysokým obsahom entropie majú tiež veľký potenciál v niekoľkých ďalších oblastiach vrátane:
Zváracie materiály s vysokým obsahom entropie
Zliatiny s nízkou aktiváciou
Plesňové materiály
Katalytické materiály
Polovodičové difúzne bariérové vrstvy
5. Budúcnosť zliatiny s vysokým obsahom entropie
Ako je možné ďalej rozvíjať zliatiny s vysokým obsahom entropie (HEA)? Táto otázka je hlavným problémom vedcov pri rozvíjaní novej triedy materiálov. Výber správneho smeru výskumu je nevyhnutný na dosiahnutie maximálneho pokroku s minimálnym úsilím, čo umožňuje HEA, aby zohrávali dôležitejšiu úlohu v aplikáciách každodenného života a národnej obrany.
Pri pohľade do budúcnosti existujú dva kľúčové smery vývoja, ktoré si zaslúžia najväčšiu pozornosť:
(1) Identifikácia nákladovo najefektívnejšieho výkonu
Od tradičných zliatin po zliatiny s vysokým obsahom entropie sa materiály vyvinuli pozdĺž trendu zvyšujúcej sa entropie. Experimentálne výsledky však naznačujú, že vzťah medzi miešaním entropie a výkonom materiálu je nelineárny. Jednoducho povedané, entropia s vyššou miešaním nemusí nevyhnutne premietať do lepšieho výkonu zliatiny.
Slepo sledovanie vyššej entropie nezaručuje neobmedzenú optimalizáciu materiálových vlastností. Navyše, ako sa zvyšuje entropia, zvyšuje sa aj počet základných prvkov, ktoré priamo zvyšujú výrobné náklady zliatiny. To znamená, že zameranie sa výlučne na vysokú entropiu môže viesť k zníženiu výnosov, kde zvýšenie nákladov prevažuje nad výkonnostnými výhodami-scenár „straty investície aj výsledku“.
Podľa štatistických analýz nie je nákladovo najefektívnejšia oblasť v doméne zliatiny s vysokou entropiou, ale skôr na hranici medzi zliatinami stredného entropie a zliatinami s vysokým obsahom entropie. Tento región obsahuje materiály ako:
Zliatiny s vysokou teplotou
Amorfné zliatiny
Nehrdzavejúce ocele
Zliatiny strednej entropie
Tieto materiály ponúkajú lepšiu rovnováhu medzi nákladmi a výkonom, vďaka čomu je tento prechodný región kritickou oblasťou pre budúci vývoj materiálov.
Obrázok 4 „Nákladová efektívnosť“ zliatinových materiálov
(2) Vývoj vysokoúčinných metód materiálového výskumu
Zliatiny s vysokým obsahom entropie (HEA) vykazujú vynikajúce mechanické vlastnosti, vysokohorský odpor, odolnosť proti opotrebeniu a odolnosť proti korózii, vďaka čomu sú veľmi sľubné v rôznych oblastiach. Výskum tenkých filmov zliatiny s vysokou entropiou je však stále v počiatočných fázach a ich priemyselná aplikácia zostáva prebiehajúcou prácou. V porovnaní s tradičnými zliatinami majú HEA zložité kompozície a ich vlastnosti nedodržiavajú lineárny vzťah s entropiou. Výsledkom je, že nie je možné navrhnúť vysoko výkonné viaczložkové materiály založené výlučne na miešanie entropie.
Návrh a vývoj materiálu je časovo náročný proces, takže zlepšenie efektívnosti výskumu je kľúčovým faktorom pri urýchľovaní rozvoja HEA.
Úloha vysoko výkonnej technológie
V tejto súvislosti sa stáva nevyhnutným prijatím technológie s vysokou výkonnosťou (HT). Ale čo presne je vysoko výkonná technológia a ako môže urýchliť vývoj materiálu?
Ak porovnávame zliatinové materiály s oceánom a vývojom nových zliatinových systémov s rybolovom, potom tradičné spôsoby prípravy sú ako rybolov s tyčou, kde vedci môžu naraz získať iba jeden zliatinový systém. Tento prístup „na čas“ výrazne spomaľuje materiálový výskum.
Teraz si predstavte, či by vedci mohli namiesto použitia rybárskej tyče obsadiť sieť, čo im umožní zachytiť viacero zliatinových systémov pri jednom pokuse. Tento prístup by výrazne zvýšil efektívnosť výskumu. Vysoko výkonná technológia sleduje podobný princíp, ktorý umožňuje paralelnú prípravu viacerých zliatinových systémov naraz, čím sa dramaticky urýchľuje vývoj HEA.
Svetlá budúcnosť pre zliatiny s vysokým obsahom entropie
HEA sú vo fáze rýchleho rastu, pričom Čína sa objaví ako hlavná sila v globálnom výskume. Dnes, ako stúpajúca hviezda oblasti materiálov vied, Heas naďalej priťahuje pozornosť vedcov na celom svete.
Aj keď zostáva veľa výziev, neodradili vedcov, aby sa posunuli vpred. Ako nová hranica v zliatinových materiáloch má Heas obrovský potenciál a sľub pre budúcnosť. Ich záhady čakajú na rozlúškanie a ich možnosti sú neobmedzené-ste pripravení preskúmať ich neznáme brilanciu?