5月18日，Nature封面報(bào)道了新加坡自由撰稿人XiaoZhi Lim的一篇題為《Mixed-up metals make for stronger, tougher, stretchier alloys》（混合金屬制造更強(qiáng)、更硬、更具延展性的合金），介紹高熵合金相關(guān)進(jìn)展。

    高熵合金概念由臺(tái)灣科學(xué)家葉均蔚于1995年提出的。高熵合金含有多種主要元素，每種元素介于5%-35%之間。傳統(tǒng)金屬則是以一種元素為主，而高熵合金是多元素共同作用的結(jié)果。所以高熵合金是一種顛覆數(shù)千年以來的合金制備方法。與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐腐蝕等等。

    但是，高熵合金的機(jī)理及其科學(xué)問題尚未得到很好的理解。目前的高熵合金體系也只是通過“雞尾酒”方法調(diào)配而成， 還沒有科學(xué)系統(tǒng)的選擇合金元素的理論。

    咋眼一看，這個(gè)設(shè)備更像是在建造一個(gè)微型景觀。一圈噴嘴對(duì)從四個(gè)噴管噴出的金屬粉末加熱，形成往下的光束?；旌衔镞M(jìn)而凝聚成晶粒，形成一個(gè)逐步生長(zhǎng)的柱狀合金。當(dāng)合金有2厘米高時(shí)，平臺(tái)將其托到一遍，設(shè)備接著建造另一個(gè)。整個(gè)結(jié)果看起來是一個(gè)摩天大樓模型。

    這些金屬柱子由位于Lowa的美國(guó)Ames國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建造，它反應(yīng)了科學(xué)家們?cè)趯?duì)待合金上的重大改變。

    制造合金的標(biāo)準(zhǔn)配方技術(shù)從遠(yuǎn)古鑄劍到制造現(xiàn)代制造發(fā)動(dòng)機(jī)引擎葉片一直在沿用，也就是將有用的金屬并混合一系列提升性能的東西，例如在鐵中加碳制成鋼。

    但Ames的設(shè)備正在制造高熵合金實(shí)驗(yàn)樣品，它由四個(gè)、五個(gè)，甚至更多的元素以嚴(yán)格的相同的比例混合而成。這種簡(jiǎn)單的配方可以出產(chǎn)那些比傳統(tǒng)材料更輕、更強(qiáng)的合金，并且更耐腐蝕、耐輻照等等。最終，研究者們希望這個(gè)方法能夠出產(chǎn)與以往完全不同的磁性或電性能的合金，并形成新一代技術(shù)。

    北京科技大學(xué)新金屬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張勇認(rèn)為“我們幾乎已經(jīng)探索過傳統(tǒng)金屬的所有方面，而對(duì)于高熵合金這方面的研究是全新的。”高熵合金尚未從實(shí)驗(yàn)室推廣到市場(chǎng)，不過有研究者們正在朝這方面努力，期望在高溫爐襯和超輕型航天材料等方面獲得潛在應(yīng)用。而這些領(lǐng)域同樣在中國(guó)、歐洲、美國(guó)等地獲得了資金支持。

    帕特森空軍基地實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家Daniel Miracle認(rèn)為“”我們并不是在談?wù)撘环N材料，而是上升到如何混合元素的哲學(xué)。“

    找到新而激動(dòng)的東西的機(jī)會(huì)是很高的。去年，他和同事們估計(jì)過從一組26個(gè)元素中，抽取3、4、5、6種金屬元素等量混合，可得到大約313560種合金。更大的數(shù)量的合金可以擴(kuò)展元素的選擇得到。

    但德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)的材料工程師Easo Georg認(rèn)為并不是所有的混合都能奏效。科學(xué)家們?nèi)栽谘芯磕男┦怯行Ф男┎皇?。他認(rèn)為”可探索的空間仍然是非常巨大的，而我們目前只看到一小部分宇宙。“

    高熵合金的想法是1995年Jien-Wei Yeh提出來的。Yeh認(rèn)為，傳統(tǒng)合金的物理性能已經(jīng)得到了很好的研究，在原子層面上，純金屬有規(guī)律的晶體結(jié)構(gòu)，由理想原子一層堆一層堆出。有時(shí)，這些層相互之間很容易滑動(dòng)，表現(xiàn)到金屬就是非常軟而不能用。這就是純金僅僅只能用在珠寶上。但是金屬中添加了不同原子尺寸的元素之后，加入者隨機(jī)地阻止原子層，降低了滑動(dòng)趨勢(shì)，從而創(chuàng)造了更硬的合金。精確的混合物可以讓冶金學(xué)家調(diào)控諸如腐蝕性能或者熔點(diǎn)等等性能。

    但是Yeh同樣提示了潛在的復(fù)雜性。如果太多的元素加入進(jìn)去，原子相對(duì)于層而言不再隨機(jī)，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成主要金屬原子，成為規(guī)律性排布，讓混合物變脆。

    因此，這給了他一個(gè)觀點(diǎn)，與其一種主要材料混合少量的一到兩個(gè)元素，為什么不用四到五個(gè)甚至更多的元素以相同的比例混合？不同的原子有大量的可能性排列，從而導(dǎo)致錯(cuò)亂，或者高熵，如此消除了任何形成規(guī)律性能晶體結(jié)構(gòu)的傾向。因?yàn)槊恳环N隨意的混合元素都是不同尺寸的，不太可能相互滑動(dòng)，從而創(chuàng)造出非常硬的材料。

    當(dāng)然，這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)很奇怪的想法，即使在自己的實(shí)驗(yàn)室Yeh也未將之放到一個(gè)很高的優(yōu)先級(jí)上。直到2004年他的研究團(tuán)隊(duì)第一次報(bào)道了混合五到十種元素，得到的合金比不銹鋼更硬。其他團(tuán)隊(duì)也在同期宣布得到了相近的結(jié)果。

    選擇太多了

    高熵合金領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。在2009年張勇報(bào)道了一種含鈷、鉻、銅、鐵、鎳、鋁的合金，比純鋁強(qiáng)十四倍，韌性是將近三倍。2011年，Yeh報(bào)道了鈷、鉻、鐵、鎳、鋁、鈦合金的抗磨性能是普通抗磨鋼的兩倍。2014年，George及其團(tuán)隊(duì)研究的鈷、鉻、鐵、鎂、鎳合金在液氮溫度下也不會(huì)變脆。這個(gè)材料在低溫設(shè)備、天然氣管道和航天器等低溫設(shè)備上使用。

    大量的可能性是高熵合金的優(yōu)點(diǎn)，但也是研究者們最大的挑戰(zhàn)。Miracle認(rèn)為，元素周期表上超過80種合金元素，有太多的合金而無法一一測(cè)試，也沒有足夠的時(shí)間。

    在為航空器引擎和航天框架研究高熵合金，他在搜尋更輕、更耐腐蝕，并能在高溫下保持強(qiáng)度。經(jīng)過大量測(cè)試，Miracle將范圍縮小到鈮、鉭、鉻等金屬，它們的熔點(diǎn)很高。

    另一個(gè)戰(zhàn)略是復(fù)制目前已經(jīng)了解的合金的性能。例如，有些鋼不僅僅是隨機(jī)混合原子，在快速冷卻時(shí)形成了小型的化合物。盡管這種化合物的穩(wěn)定性不如隨機(jī)混合結(jié)構(gòu)，但表現(xiàn)出比鋼更高的彈性。MIT金屬學(xué)家Cem Tasan曾經(jīng)將鐵、鎂、鈷、鉻混合進(jìn)高熵合金，得到了極度的高硬度和高彈性，而這兩個(gè)性能看起來似乎是完全相反的。Tasan 認(rèn)為”放棄任何我們知道的知識(shí)是不明智的“。

    Ames中的迷你摩天樓意味著另一種更系統(tǒng)化的方法。Ames的設(shè)備可在不到一個(gè)小時(shí)內(nèi)建造30個(gè)合金柱，每一個(gè)的原材料只有細(xì)微的差別，如此研究者們可以快速的測(cè)試合金的性能。

    Ames材料科學(xué)家Matthew Kramer正在主導(dǎo)一個(gè)研究：尋找可以抵御高溫和腐蝕的高熵合金，以幫助火電廠在高溫下更有效運(yùn)作。

    而協(xié)助他的團(tuán)隊(duì)的是Ames的理論學(xué)家Duane。在1995年，Johnson發(fā)明了一套運(yùn)算法則，在傳統(tǒng)合金制造出來之前預(yù)測(cè)性能。2015年，他擴(kuò)展了適用高熵合金的運(yùn)算法。Johnson的法則評(píng)定一個(gè)元素到何種程度就會(huì)被另一個(gè)吸引或者排斥，然后利用這個(gè)信息預(yù)測(cè)元素的混合是形成化合物、固溶體或兩者都有。如此讓Kramer的團(tuán)隊(duì)確定哪種合金值得一試，進(jìn)而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋給程序以修正，提高準(zhǔn)確性。

    高熵合金領(lǐng)域前進(jìn)道路上有大量障礙。目前關(guān)注點(diǎn)是提高結(jié)構(gòu)性能，但對(duì)于特殊功能性能合金則沒有多少工作在做。

    盡管如此，還有大量的可能性需要探索，尤其是科學(xué)家們開始擴(kuò)展最初的高熵合金的界定。例如，張?jiān)趯⑻?、氮、硅混合進(jìn)合金以研發(fā)新型的高溫陶瓷，用于光伏。不僅如此，包括Tasan、Yeh在內(nèi)，開始實(shí)驗(yàn)混合大量元素但不是等比例的效果。初步結(jié)果顯示大多數(shù)合金仍然保持了高熵合金的性能。例如，Yeh測(cè)試了一種抵御擦傷的新型超硬材料，50%的氮、碳或者氧，以及一些其他元素如鋁、硅或者鈦組成，可用于機(jī)器部件和切割工具上的涂層。

    George認(rèn)為”我們現(xiàn)在有更豐富的領(lǐng)域要探索了。“

    原文參考地址：http://www.nature.com/news/mixed-up-metals-make-for-stronger-tougher-stretchier-alloys-1.19942#/tough