1. Origine du nom
En tant qu'étoile montante dans le domaine des matériaux en alliage, la naissance des alliages à haute entropie (HEAS) est étroitement liée au concept d'entropie . mais quelle est exactement l'entropie? Avant de dévoiler les mystères des alliages à haute entropie, explorons d'abord le monde de l'entropie .
Le concept d'entropie a été introduit par le physicien allemand Rudolf Clausius dans 1865. Dans la thermodynamique, l'entropie est un paramètre qui décrit le degré de désordre dans un système, plus le trouble est élevé, plus l'entropie . est élevée, plus le trouble est élevé, plus l'entropie . est élevée, plus le trouble est élevé, plus l'entropie . est élevée.
Pour mieux comprendre ce concept, utilisons une classe d'éducation physique (PE) comme exemple:
État à faible entropie: lorsque tous les élèves portent le même uniforme avec seulement quelques exceptions, se tiennent dans des rangées soignées et effectuent des exercices d'échauffement dans une formation compacte, leur plage de mouvement est limitée et l'entropie du système est faible .
État à forte entropie: lorsque les élèves portent une variété de tenues, se dispersent après la rejette de la formation et se livrent à des activités gratuites, la plage de mouvement augmente et la classe devient plus désordonnée, entraînant un état à forte entropie .
Par analogie, nous pouvons considérer chaque élève comme une unité atomique dans un alliage . Lorsque les atomes sont disposés de manière ordonnée, similaire aux étudiants debout en formation, le système en alliage est dans un état à faible entropie . Inversement, lorsque les atomes sont distribués au hasard et se déplacent librement, le système atteint un état élevé d'entropie .
Par rapport aux alliages conventionnels, ce nouveau venu dans le monde des alliages a une valeur d'entropie plus élevée ., les scientifiques des matériaux l'ont nommé alliage à haute entropie . dans ce contexte, "l'entropie élevée" fait référence au degré élevé de troubles chimiques ou topologiques à l'échelle atomique, ce qui signifie que le concept est fortement chaotique {{3} alliages à haute entropie, explorons comment ce matériel fascinant a été découvert .
2. La découverte d'alliages à haute entropie
La base de la découverte d'alliages à forte entropie a été posée dès la fin du XVIIIe siècle . Scientifique allemand et métallurgiste Franz Karl Achard a mené une étude innovante dans laquelle il a préparé une série d'alliages multi-composants contenant cinq à sept éléments . Cependant, ce travail révolutionnaire a été largement confirmé par métallish
Ce n'est qu'en 1963 que le professeur Cyril Stanley Smith (Smith, 1963) a remarqué et signalé cette recherche . sur la base des dossiers expérimentaux existants, il est maintenant cru que c'était l'une des premières études liées aux alliages à haute entropie .
Malheureusement, en raison d'un manque d'attention, les progrès sur les alliages à forte entropie sont bloqués pendant des décennies ., ce n'est que dans les années 1990 que l'intérêt pour les alliages à forte entropie a été ravivé . en 1993, les scientifiques de l'Université de Cambridge ont proposé le "principe de confusion", suggérant que les alliés avec l'entropie plus élevée sont plus susceptibles de former des structures amorphes {6} En même temps, le savant taïwanais Yeh Jien-Wei et son équipe ont introduit un concept de conception de conception en alliage innovant avec plusieurs éléments principaux et une entropie de mélange élevée, qu'ils ont nommé alliages à entropie élevée .
Cependant, les progrès scientifiques prennent souvent du temps . Malgré l'introduction de ce concept, les résultats de recherche connexes sont restés non publiés pendant des années .
Enfin, en 2004, le professeur Cantor du Royaume-Uni a mené une expérience dans laquelle il a fait fondre un alliage d'entropie à mixage élevé . étonnamment, au lieu de former la structure amorphe prévue, l'alliage a développé plusieurs phases cristallines fragiles . Cette découverte a contredit le principe de la confusion mais a confirmé la théorie de la conception de Yeh {{5} La naissance des alliages à haute entropie .
Pour expliquer ce phénomène fascinant, le professeur Zhang Yong de l'Université des sciences et de la technologie Pékin a fourni des idées théoriques, jetant les bases de recherches supplémentaires sur les heas . depuis lors, les alliages à haute entropie sont devenus une étoile brillante dans le domaine des matériaux alliés .
À mesure que l'enthousiasme de la recherche augmente, le concept d'alliages à haute entropie s'est rapidement étendu dans des domaines connexes tels que:
Céramique à haute entropie
Films minces à forte entropie
AFFAIRS D'ENTRÉTÉ HIGHT
Superalliages à haute entropie
Alliages légers à haute entropie à base d'AL-MG
Alliages durs à haute entropie
3. Caractéristiques uniques des alliages à haute entropie
Les alliages à haute entropie introduisent une nouvelle perspective dans la conception des alliages, basée sur le principe d'entropie de configuration . par rapport aux alliages conventionnels, les concepts de conception distinctifs et les propriétés uniques . peuvent être comprises à partir des quatre aspects suivants:
(1) Caractéristiques de composition
Les HEA intègrent plusieurs éléments principaux pour introduire un trouble chimique, sans élément dominant unique . contrairement aux alliages traditionnels, qui ont généralement un élément de base principal, les HEA se composent de plusieurs éléments d'alliage majeur . Les caractéristiques clés de la conception de la composition de HEA incluent:
1. L'alliage doit contenir au moins cinq éléments différents .
2. Le pourcentage atomique de chaque élément doit être compris entre 5% et 35% .
(2) Caractéristiques de développement
Au fur et à mesure que la recherche progresse, le concept d'alliages à haute entropie a évolué à travers trois étapes principales:
Heas de première génération:
Se composent de cinq éléments d'alliage ou plus .
Les éléments sont équiatomiques (rapports atomiques égaux) .
Structure: alliage de solution solide complexe monophasé .
Heas de deuxième génération:
Se composent de quatre éléments d'alliage ou plus .
Ratios d'éléments non équiatomiques .
Structure: alliage de solution solide complexe à double phase ou multi-phase .
Heas de troisième génération:
Élargi en films minces et céramiques à haute entropie .
(3) Caractéristiques structurelles
Malgré leurs multiples composants élémentaires, les alliages à forte entropie forment généralement des structures de phase relativement simples lors de la solidification . Une solution solide dissoute aléatoire est la structure caractéristique des HEA, présentant souvent:
Structures cubiques centrées sur le visage (FCC)
Structures cubiques centrées sur le corps (BCC)
Structures hexagonales clôturées (HCP)
De plus, les phases amorphes peuvent également se former dans certaines héas .
Conclusion
Les alliages à forte entropie représentent une progression révolutionnaire dans le domaine des matériaux en alliage . leur composition unique, leur nouvelle approche de conception et les propriétés prometteuses les rendent très précieux pour les matériaux structurels et fonctionnels de nouvelle génération . avec des recherches en cours, HEAS devrait jouer un rôle critique dans les applications provenant de l'aérospace et des industries automobiles champs .
Figure 1 Structure de phase de l'alliage d'entropie élevé
(4) Caractéristiques de performance vérifiées
La recherche a montré que les alliages à forte entropie (HEA) possèdent de nombreuses propriétés supérieures par rapport aux alliages traditionnels . Actuellement, cinq effets de performance majeurs des HEA ont été confirmés scientifiquement:
1. Énergie de défaut à empilement faible
2. Stabilité thermique
3. Résistance aux rayonnements
4. Résistance à la corrosion
5. Atténuation de l'effet de compromis de performance
4. Applications pratiques: où les alliages à haute entropie brillent
Les principes de conception uniques des alliages à forte entropie leur accordent une gamme de propriétés exceptionnelles, y compris d'excellentes performances mécaniques à basse température, de la corrosion et de la résistance à l'usure, de la stabilité à haute température et des propriétés magnétiques molles exceptionnelles . Capacités .
(1) Matériaux magnétiques souples à haute entropie
Les matériaux magnétiques doux se caractérisent par la réalisation d'une magnétisation maximale avec un minimum de champs magnétiques externes . Ils sont faciles à magnétiser et à démagnétiser, ce qui les rend largement utilisés dans l'équipement électrique et électronique .
Des études ont montré que certains systèmes d'alliages à haute entropie présentent d'excellentes propriétés magnétiques douces . en outre, ils aident à surmonter les lacunes des matériaux magnétiques doux conventionnels, tels que les propriétés mécaniques médiocres et les performances de coulée instables . en conséquence, HEH
(2) Matériaux en alliage à haute température
Les alliages à haute température sont des matériaux métalliques qui peuvent fonctionner à des températures élevées et des conditions de contrainte spécifiques pour les périodes prolongées . Ces alliages nécessitent:
Résistance exceptionnelle à haute température
Excellente résistance à l'oxydation et à la corrosion thermique
Bonne résistance à la fatigue et ténacité de fracture
Ils sont indispensables pour les composants de gamme à chaud du moteur . La recherche indique que les alliages à forte entropie présentent une stabilité thermique et une résistance à l'oxydation remarquables à des températures élevées . Cette percée offre de nouvelles possibilités pour le développement de composants qui fonctionnent dans des environnements extrêmes, tels que:
Lames de turbine moteur
Matériaux d'ingénierie à haute température
(3) revêtements d'outils durs
Les revêtements d'outils durs impliquent de déposer une couche mince en alliage haute dureté et résistante à l'usure sur les surfaces des outils de coupe pour protéger les outils de virage, de broyage, de planage et de broyage . La dureté et la force élevées de Heas en font des candidats idéaux pour de tels revêtement
(4) Matériaux de conversion photothermique à haute entropie
La conversion photothermale fait référence au processus de concentration de l'énergie du rayonnement solaire par la réflexion, l'absorption ou d'autres mécanismes pour atteindre des températures suffisamment élevées et répondre à diverses demandes d'énergie .
En raison des conditions de service sévères des matériaux photothermiques, ils doivent exposer:
Excellente stabilité à haute température
Résistance à la corrosion supérieure
Coefficient de dilatation thermique
Forte résistance aux intempéries
Des études ont démontré que les films minces en alliage à haute entropie possèdent une résistance à la corrosion exceptionnelle et une stabilité à haute température, ce qui les rend très prometteurs pour améliorer l'efficacité de la conversion photothermale et faire progresser les applications d'énergie solaire .
Figure 2: Tube de collecte de chaleur du convertisseur photothermique
(5) Matériaux en alliage à entropie haute légère
La légèreté est une direction importante pour le développement de matériaux futurs . ces dernières années, des alliages d'entropie élevés ont également été étudiés pour des matériaux légers et ont commencé à être commercialisés . Les exemples courants incluent des étuis de téléphone portable, des machines à sous de la carte de téléphone mobile et d'autres parties de précision .
Figure 3 Étui du téléphone mobile d'estampage
(6) Autres applications
Les alliages à haute entropie ont également un grand potentiel dans plusieurs autres domaines, notamment:
Matériaux de soudage à haute entropie
Alliages à forte activation à haute activation
Moule
Matériaux catalytiques
Couches de barrière de diffusion semi-conductrices
5. L'avenir des alliages à haute entropie
Comment les alliages à forte entropie (HEA) peuvent-ils être développés davantage? Cette question est une préoccupation principale pour les scientifiques lors de la progression d'une nouvelle classe de matériaux . Le choix de la bonne direction de recherche est essentiel pour réaliser un progrès maximal avec un effort minimal, permettant aux HEA de jouer un rôle plus important dans les applications quotidiennes de la vie et de la défense nationale .
Pour l'avenir, il y a deux directions de développement clés qui méritent le plus d'attention:
(1) identifier la région de performance la plus rentable
Des alliages traditionnels aux alliages à forte entropie, les matériaux ont évolué le long d'une tendance à l'entropie croissante . Cependant, les résultats expérimentaux indiquent que la relation entre l'entropie de mélange et les performances des matériaux est non linéaire . en termes simples, une entropie de mélange plus élevée ne se traduit pas nécessairement en performance Alloy meilleure.
La poursuite aveuglément de l'entropie ne garantit pas une optimisation illimité des propriétés des matériaux . en outre, à mesure que l'entropie augmente, le nombre d'éléments constitutifs, ce qui augmente directement le coût de production de l'alliage . Cela signifie que la focalisation unique résultat . "
Selon les analyses statistiques, la région la plus rentable n'est pas dans le domaine des alliages à haute entropie, mais plutôt à la frontière entre les alliages d'entropie moyenne et les alliages à haute entropie ., cette région comprend des matériaux tels que:
Alliages à haute température
Alliages amorphes
Aciers inoxydables
Alliages d'entropie moyenne
Ces matériaux offrent un meilleur équilibre entre le coût et les performances, faisant de cette région de transition un domaine critique pour le développement des matériaux futurs .
Figure 4 "Effectif" des matériaux en alliage
(2) Développer des méthodes de recherche de matériaux à haute efficacité
High-entropy alloys (HEAs) exhibit outstanding mechanical properties, high-temperature resistance, wear resistance, and corrosion resistance, making them highly promising in various fields. However, research on high-entropy alloy thin films is still in its early stages, and their industrial application remains a work in progress. Compared to traditional alloys, HEAs have complex compositions, and their properties do ne suivez pas une relation linéaire avec l'entropie . en conséquence, il est impossible de concevoir des matériaux multi-composants haute performance basés uniquement sur l'entropie de mélange .
La conception et le développement des matériaux sont un processus long, donc l'amélioration de l'efficacité de la recherche est un facteur clé dans l'accélération de l'avancement des héas .
Le rôle de la technologie à haut débit
Dans ce contexte, l'adoption de la technologie à haut débit (HT) devient essentielle . mais qu'est-ce que la technologie à haut débit élevé et comment peut-elle accélérer le développement de matériaux?
Si nous comparons les matériaux en alliage à un océan et le développement de nouveaux systèmes en alliage à la pêche, les méthodes de préparation traditionnelles sont comme la pêche avec une tige, où les chercheurs ne peuvent obtenir qu'un seul système en alliage à la fois . Cette approche "One-AT-A-Time" ralentit considérablement la recherche sur les matériaux .
Maintenant, imaginez si les chercheurs pouvaient lancer un filet au lieu d'utiliser une canne à pêche, ce qui leur permet de capturer plusieurs systèmes en alliage dans une seule tentative ., cette approche améliorerait considérablement l'efficacité de la recherche . la technologie à haut débit suit un principe similaire, permettant la préparation parallèle de multiples systèmes alliés à la fois, ainsi considérablement le développement de la maas {{3}.
Un brillant avenir pour les alliages à haute entropie
Les HEA sont dans une phase de croissance rapide, la Chine émergeant comme une force majeure dans la recherche mondiale . aujourd'hui, comme l'étoile montante du domaine de la science des matériaux, les HEA continuent d'attirer l'attention des scientifiques du monde entier .
Bien que de nombreux défis restent, ils n'ont pas dissuadé les chercheurs de faire avancer . en tant que nouvelle frontière dans les matériaux en alliage, Heas détient un potentiel immense et une promesse pour l'avenir ., leurs mystères attendent d'être démêlés?