近日，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室何戰兵教授、武漢理工大學納微結構研究中心胡執一副研究員、浙江大學材料科學與工程學院田鶴教授、北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室張勇教授合作，綜合利用準晶結構相似性的結構特點及高熵合金的設計判據，在Al20Si20Mn20Fe20Ga20甩帶樣品中成功制備出近等原子比高熵十次準晶，填補了高熵合金相結構家族中無十次準晶相的空白。該研究提出的高熵準晶的設計理念也為設計新型高熵準晶提供了新思路。相關論文以題為“Near-equiatomic high-entropy decagonal quasicrystal in Al20Si20Mn20Fe20Ga20”發表在Sci. China Mater.，何戰兵的博士生馬海坤及趙良群碩士為論文的共同第一作者。

論文鏈接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-020-1441-3

準晶是具有長程準周期平移序而無傳統的旋轉對稱性的結構復雜相，其通常以一種合金元素為主要成分。高熵合金含有多種主要合金元素，其晶體結構卻往往是傳統的晶體相，如常見立方相。然而作為結構和成分均復雜的多組元高熵準晶卻難以在實驗上制備和理論上預測，其結構特點也知之甚少。迄今為止，雖然在四元、五元及多元非晶合金中發現有準晶，但這些準晶大都是三維二十面體準晶。且合金成分往往以一種主要元素為主，屬于傳統合金的范疇，不屬于多主元高熵合金。

對于（近）等原子比多主元高熵準晶而言，雖然有科學家預測了可能存在該類準晶的一些合金體系，然而在實驗上無人證實。因高熵準晶同時具備結構復雜性和成分復雜性，即不同于傳統的準晶，也不同于已有的高熵合金。因而如何制備出該類合金，它們又有會有什么樣的結構和性能等問題就引起了高熵和準晶領域研究人員的廣泛關注和極大興趣。

研究者們通過采用準晶結構相似性的特點及高熵合金設計判據的合金設計策略，在Al20Si20Mn20Fe20Ga20甩帶樣品中成功地制備出了含有五個主要合金元素的Al20.5Si19.0Mn20.9Fe26.3Ga13.3近等原子比高熵十次準晶。計算表明，該合金和十次準晶的構型熵均滿足高熵合金基于熵的判據，表明該十次準晶是高熵準晶。

此外，他們還利用球差矯正透射電鏡，揭示了該類十次準晶的結構特點。能達原子級分辨的球差矯正透射電子顯微鏡的研究表明，該高熵十次準晶最基本的結構塊是邊長為0.62 nm的多邊形，含有扁六邊形（H）、星形（S）、船形（B）、領結形（BT）、十邊形（D）等。除了十邊形外，這些基本結構塊的組合又可以進一步形成更高一級別的星形結構塊、盾牌形（SLT）結構塊、凹十邊形（CD）和規則十邊形結構塊，且這些更大的多邊形可以各自對應多種形態。值得一提的是，外接圓直徑為2.0 nm的十邊形結構塊有5種類型，且隨著內部直徑約為0.47 nm十邊形結構塊數量的增加，2.0 nm十邊形結構塊的十次對稱被逐漸打破，這跟大多數傳統的以一種主元為主的十次準晶，如Al-Co-Ni、Al-Pd-Mn、Al-Co-Cu等體系中的十次準晶的結構不同，但跟Al-Cr-Fe-Si十次準晶的結構有相似性。

圖1（a）Al20Si20Mn20Fe20Ga20甩帶樣品橫截面的SEM圖。（b），（c）分別沿準晶顆粒十次軸及二次軸方向的TEM明場像。（d），（g）分別沿貼輥面（圖（a）中B側）及自由面（圖（a）中A側）十次準晶沿十次軸方向的選區電子衍射圖。（e）沿十次準晶二次軸方向的選區電子衍射圖。（f）與圖（e）呈18°的另一個二次軸方向的選區電子衍射圖。（h）Al20Si20Mn20Fe20Ga20甩帶樣品的XRD。

圖2 Al-Si-Mn-Fe-Ga十次準晶沿十次軸方向的HAADF-STEM像和基本結構塊。（a，b）沿Al-Si-Mn-Fe-Ga十次準晶十次軸方向的HAADF-STEM像。（b）中用彩色標明了不同的結構塊，特別是十邊形結構塊。（c）四個基本結構塊：領結形（BT），船形（B），六邊形（H），星形（S）。（d）兩種類型的星形結構塊（S）。（e）三種類型的凹十邊形結構塊（Concave D）。（f）六種類型的盾牌形結構塊（SLT）。

圖3（a）直徑為2 nm的五種類型的十邊形結構塊。從左到右，隨著其內部最小十邊形的增多，大十邊形的十次對稱逐漸破缺。（b）對應的十邊形結構塊的投影結構模型。（c）五種類型十邊形結構塊的結構示意圖。

圖 4  Al20Si20Mn20Fe20Ga20與高熵十次準晶合金在在和圖中的位置。[原圖分別引自Ye YF, Wang Q,Lu J, et al. High-entropy alloy:challenges and prospects. Mater Today, 2016, 19: 349-362；Yang X, ZhangY. Prediction of high-entropy stabilized solid-solution in multi-componentalloys. Mater Chem Phys, 2012, 132: 233-238]

該研究獲得國家自然科學基金面上項目（51871015；51471024）及新金屬材料國家重點實驗室自主課題的資助。論文通訊作者何戰兵教授師從我國準晶研究先驅郭可信先生，長期致力于準晶及其近似相的深入系統研究。近年來，該團隊在鋁基十次準晶及其近似研究相領域獲得了一系列創新性成果。例如：

在Al-Cr-Fe-Si合金系中發現了發現一種由周期排列的結構塊之間鑲嵌非周期結構塊而形成新的固體物質形態。它同時具有傳統晶體材料的周期平移對稱性和準晶體的準周期性，將晶體和準晶體結構上的矛盾巧妙的融合在這一新的固體物態之中。

在Al59Cr21Fe10Si10十次準晶中發現了迄今為止最大尺寸的原位十次對稱結構塊，從而為“十次對稱的自相似性是如何在實際的晶體結構中實現的”這一問題提供了實驗上的證據。

在Al-Cr-Fe-Si合金系中發現了十多種新的復雜大單胞十次準晶近似相（含Fibonacci和非Fibonacci近似相），并揭示了這些復雜近似相在晶格上和結構上的規律。

值得一提的是，他們發現有些大單胞準晶近似相可以具有完全相同的晶格常數，但晶體結構卻完全不同這一新奇的現象。這不僅揭示出準晶近似相跟傳統的小單胞晶體相在結構規律上的差異，也為理解這些復雜近似相的形成及與十次準晶之間的結構關系提供了思路。