一、【導讀】

自2004年高熵合金（High-entropy alloy, HEA）的概念被提出以來，這種多組元合金因其優異的力學、物理以及電化學性能而受到廣泛關注。人們普遍認為，將多種不同尺寸的元素合金化到一個共同的晶格中會導致晶格扭曲，使組成原子偏離其理想位置，從而產生晶格畸變效應。一方面，晶格畸變效應會在HEA中產生高度波動的彈性應力/應變場，這已被證明對位錯行為至關重要。另一方面，晶格畸變有助于穩定熱力學非平衡態，降低電子和離子等活性物質的能壘。因此，具有畸變晶格的HEA相比傳統合金表現出更吸引人的多功能特性，例如超彈性、優異的強度和塑性、出色的熱電性能、獨特的耐輻照性和優秀的催化效率，從而具有更加靈活的應用場景。例如，新開發的單相B2 (CoNi)50(TiZrHf)50 HEA由于嚴重的晶格畸變而表現出強烈的非磁性Elinvar效應。此外，FCC Cantor合金 (FeCoNiCrMn)還以其在低溫下的高斷裂韌性和耐輻照性的結合而聞名。

二、【成果掠影】

香港城市大學楊勇教授團隊對表現出嚴重晶格畸變的多功能HEA進行了系統性綜述，涵蓋了為理解晶格畸變而開發的理論模型、用于表征晶格畸變的實驗和計算方法、晶格畸變對合金性能的影響，以及畸變高熵合金的數據驅動設計。通過這篇綜述文章，作者希望能夠促進對晶體固體中扭曲晶格的進一步研究。

相關研究工作以“Multifunctional High Entropy Alloy Enabled by Severe Lattice Distortion”為題發表在Advanced materials上。

三、【核心創新點】

1.從基礎的角度對晶格畸變進行了全面討論，深入探討了其物理本質以及各種表征手段。

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

3.概述了設計具有畸變晶格的HEA的數據驅動方法。

四、【數據概覽】

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

圖2 (a)平均“基體”中單一溶質產生的位移場。(b)位置i處原子的位移是由所有周圍溶質在該位置產生的位移之和。(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 具有嚴重晶格畸變的隨機固溶體與含化學短程有序（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)彈性模量與屈服強度的Ashby圖。插圖是(CoNi)50(TiZrHf)50的應力-應變曲線。(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系與其他Elinvar合金的對比。

圖5 (a)應變為 0.57% 時微柱中的位錯構型。(b)異質應變場下Frank-Read源的位錯構型。 紅線和藍線表示長度為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程。(d)由于多次的雙交滑移，錯位上出現了許多割階。

圖6 (a)Ni和NiCoFeCrMn輻照后的橫截面的TEM圖像。藍色框突出顯示了空隙區域。 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)能量圖顯示拉伸應變對后過渡金屬d帶位置的影響。2017 Springer Nature. (c)含Pt/Pd HEA的HAADF-STEM圖像和對應的應變圖。

圖8 機器學習模型的示意圖。

五、【成果啟示】

HEA具有復雜的化學成分，從而產生以晶格畸變為特征的獨特晶體結構。這種結構特征對HEA的各種物理和力學性能具有深遠的影響，包括彈性、屈服強度、應變硬化機制、擴散動力學、導熱性、耐輻照性和催化性能。在傳統合金中，晶格畸變主要是由溶質原子引起的，從而產生與Eshelby理論一致的明確定義的彈性應變場。然而，在HEA中，晶格畸變表現出高度波動的彈性應變場，這使得利用經典模型來研究結構-性能的相關性具有挑戰性。為了應對這一挑戰，人們采用了各種原子模擬和最先進的實驗方法來表征HEA中的晶格畸變，并從崎嶇的勢能角度了解它如何影響晶體缺陷（例如位錯）的運動。這些研究表明，HEA中嚴重的晶格畸變可能導致相比于傳統合金前所未有的獨特的多功能特性。

然而，過度的晶格畸變會導致晶格失穩，引發相變甚至非晶化。此外，晶格畸變也可以與化學有序或CSRO結合起來。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之間的相互作用對于推進多功能HEA的開發至關重要。在作者看來，通過晶格畸變設計多功能HEA的關鍵在于最大化原子尺寸失配，同時確?；兙Ц竦姆€定性。然而，這兩個目標經常發生沖突，需要在設計晶格畸變誘導多功能的HEA時進行權衡。

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