{首页主词},&

《Nature》：重要突破！我國學者制備出一種非凡的彈性反常合金！

2022-02-11 17:08:05 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

高熵合金，作為近年來金屬材料領域的崛起之星，在催化、機械、能源以及工程等領域，大發異彩。據不完全統計，2021年，發表在Nature主刊上有關合金的文章就有三篇。新年伊始，這不，高熵合金又登上nature了。

在此，來自中國臺灣的C. W. Pao & 香港大學的D. J. Srolovitz & 香港城市大學的楊勇等研究者報告了一種化學復雜的合金，具有大的原子尺寸不匹配，而這通常在傳統合金中是負擔不起的。相關論文以題為“A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy”發表在Nature上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04309-1

高性能超彈性金屬，具有超高強度、高彈性應變極限和不受溫度影響的彈性模量（Elinvar效應）等性質，對各種工業應用都至關重要，設計領域包括驅動器、醫療設備以及高精度儀器等。由于位錯易滑動，體晶金屬的彈性應變極限通常小于1%。形狀記憶合金，包括膠金屬和應變玻璃合金，可以達到幾個百分點的彈性應變極限，盡管這是偽彈性的結果，且伴隨著巨大的能量耗散。近年來，化學復雜合金，如高熵合金，因其良好的性能而引起了廣泛的研究興趣。

在此，研究者通過電弧熔煉和定向凝固，制備了一種名義成分為25Co-25Ni-16.67Hf-16.67Ti-16.67Zr（原子百分比）的化學復雜合金（下面簡稱為Co25Ni25（HfTiZr）50）。與單相高熵合金相比，該合金中原子尺寸的差異非常大（約11%）。根據既定的相規則，如此大的原子尺寸失配會使晶體結構失穩，導致相分離或形成非晶結構。然而，根據如圖1a所示的X射線衍射（XRD）和電子背散射衍射（EBSD），以及掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）的元素映射分析，Co25Ni25（HfTiZr）50合金為單相B2結構。詳細的三維原子探針斷層掃描（APT）表征（空間分辨率約為1 nm）表明，這種合金在1 nm以上的長度尺度上具有化學均勻性，元素分布幾乎是隨機的（圖1b），可以擬合到一個隨機結構的典型二項分布（圖1c）。

此外，研究者利用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）和惰性氣體熔合測量了合金的化學成分，包括可能的雜質元素（O, N, C, S, P）的濃度。結果表明，ICP-OES測定的該合金的實際成分為26.74Co-24.91Ni-14.97Hf-17.13Ti-16.25Zr，與標稱成分和APT測量值非常接近，雜質元素含量很低。利用像差校正的高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HADDF-STEM）觀察，確定沿不同晶帶軸的詳細原子結構，即[111]、[011]和[001]（見圖1d-f）。有趣的是，HADDF-STEM圖像清楚地表明，該合金具有原子尺度的B2型有序。此外，研究者沿[011]區軸進行了亞納米空間分辨率元素能量色散X射線能譜（EDS）（圖1g）。結果表明，Co和Ni占據一個亞晶格，Hf和Ti占據另一個亞晶格，Zr原子隨機分布在這兩個亞晶格之間。

圖1 Co25Ni25（HfTiZr）50單晶合金的結構表征。

同時，研究者進行了廣泛的密度泛函理論（DFT）計算，以提供對這一結構的進一步了解。研究者構建了三個結構上不同的模型（圖2a）：（I）無序，元素隨機分配到所有體心立方格點；（II） B2結構中A亞點位隨機被{Co,Ni}占據，B亞點位隨機被{Hf, Ti, Zr}占據；（III）部分有序，按照模型III，但25%的Zr原子來自亞晶格A，與亞晶格B上的Co和Ni原子交換，這是STEM觀測所建議的。這些模型的原子弛豫（T = 0k）表明，模型I是不穩定的，自發形成非晶結構，符合既定的相規律。相比之下，模型II和模型III在整個弛豫過程中保持穩定，這表明該合金中大的原子尺寸失配，可以通過原子尺度的化學有序來適應。

圖2 Co25Ni25（HfTiZr）50合金三種結構模型的DFT計算。

通過原子交換算法和弛豫，研究者構建了每個模型多達150種實現，并計算了相應的勢能。平均而言，模型I和模型III的勢能高于模型II（圖2b）。這表明Co25Ni25（HfTiZr）50合金的原子結構（即模型III），相對于更完全有序的結構（模型II）是亞穩態的。為了量化0 K時的亞穩態程度（見方法），研究者計算了模型I和模型III相對于模型II的位能差，模型I的位能差為0.1350 eV /原子，模型III的位能差為0.0680 eV /原子。由于原子尺寸差異較大，Co25Ni25（HfTiZr）50的晶格結構發生了明顯的扭曲。