來自美國北卡羅萊納州立大學(xué)和卡塔爾大學(xué)的研究人員合作，日前研發(fā)了全新高熵合金，該材料擁有更高的強(qiáng)度重量比，目前任何一種金屬都不具備這樣的優(yōu)越性能。研究人員利用機(jī)械合金法融合鋰、鎂、鈦、鋁和鈧來打造低密度納米晶合金(Al20Li20Mg10Sc20Ti30)，預(yù)估的材料強(qiáng)度重量比要明顯高出其它納米晶合金，甚至可以與陶瓷相媲美。

高熵合金(HEAs)是多組分合金系統(tǒng)中的一個(gè)全新分類，這種合金的設(shè)計(jì)理念不是向金屬材料中添加單一基本元素，而是選擇那些可以在近等原子混合條件下，形成固溶體的各種元素物質(zhì)。

低密度、高強(qiáng)度合金的應(yīng)用在交通運(yùn)輸和能源領(lǐng)域有助于節(jié)省資源消耗，雖然相關(guān)研發(fā)一直都是被關(guān)注的熱點(diǎn)問題，但是迄今為止很少有低密度高熵合金研究的報(bào)導(dǎo)(這里低密度是指密度小于3克/立方厘米)，而單相低密度高熵合金甚至從沒有被報(bào)導(dǎo)過。發(fā)表的專業(yè)論文則在生產(chǎn)工藝、材料結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度等方面詳細(xì)分析了創(chuàng)新型低密度高熵合金。

因?yàn)殇嚭玩V具有較高的蒸汽壓力，研發(fā)人員利用機(jī)械合金法來生產(chǎn)合金，而不是傳統(tǒng)的熔融鑄造工藝。隨著處于高純度氬保護(hù)氣氛手套式操作箱中的不銹鋼球，原材料粉末被輸送到不銹鋼瓶中;球磨研磨工藝在一個(gè)改進(jìn)的SPEX 8000混磨機(jī)中執(zhí)行，混磨機(jī)首先要在液氮環(huán)境下冷卻2小時(shí)，然后在室溫下連續(xù)研磨14個(gè)小時(shí)。液態(tài)氮?dú)饫鋮s混磨機(jī)，能夠防止在機(jī)械研磨初期，因摩擦生熱造成的粉末熔接現(xiàn)象發(fā)生。

新型高熵合金的密度為2.67克/立方厘米，納米晶晶粒直徑為12納米，機(jī)械硬度達(dá)到5900兆帕。密度大小和鋁合金基本相同，但是強(qiáng)度要超過鈦合金，具有高強(qiáng)度和低密度的雙重特點(diǎn);強(qiáng)度重量比甚至可以與一些陶瓷相提并論，而且比陶瓷更有韌性，不易碎裂。研發(fā)人員還在圍繞這種新型材料展開更深入的工作，試圖全面了解該高熵合金的特性，并發(fā)掘出最合適的生產(chǎn)制造工藝。

現(xiàn)在這種合金面臨的最主要問題是，材料含有20%的金屬鈧，而鈧的價(jià)格非常昂貴;研發(fā)人員正努力探究鈧是否能夠從合金中被取代或移除。

目前，高熵合金一般可以被定義為由五個(gè)以上的元素組元按照等原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶體相的一類合金。簡言之，五元合金相圖中，在中間位置存在固溶體相區(qū)，這種固溶體目前認(rèn)為是混合熵穩(wěn)定的固溶體。

高熵合金具有一些傳統(tǒng)合金所無法比擬的優(yōu)異性能，如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性、高熱阻、高電阻等，從而成為在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中繼大塊非晶之后一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。目前，高熵合金的研究多是集中在鑄態(tài)下的性能測(cè)試，我們知道鑄態(tài)下的產(chǎn)品有著天然的性能缺陷(如由于熱脹冷縮造成的空洞、疏松等)，而對(duì)其熱處理、熱加工后的性能研究缺少有報(bào)道。有人曾預(yù)言，未來幾十年內(nèi)，最有發(fā)展?jié)摿Φ娜笱芯繜狳c(diǎn)是大塊非晶、復(fù)合材料和高熵合金。

目前，根據(jù)研究高熵合金性質(zhì)和特點(diǎn)，總結(jié)出高熵合金的4大效應(yīng)：

1.熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)

當(dāng)合金由兩種元素等原子比混合時(shí)其合金熔體的混合熵為0.69R，而由五種元素組成的等原子比合金熔體的混合熵已經(jīng)可以達(dá)到1.61R，而一般金屬合金的熔化熵為1R左右?？梢钥闯觯哽睾辖鸬幕旌响匾黠@高于傳統(tǒng)金屬合金。當(dāng)?shù)仍颖群辖鹑垠w的混合熵隨合金組元數(shù)的增加而增加，但是當(dāng)組元數(shù)超過13以后，其合金熔體的混合熵增長的幅度將趨于平緩。

2.結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)

高熵合金存在著嚴(yán)重的晶格畸變，嚴(yán)重的晶格畸變必然會(huì)影響到材料的力學(xué)，熱學(xué)，電學(xué)等一系列性能。如高熱阻，高電阻效應(yīng)。

3.動(dòng)力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)

相變?nèi)Q于原子擴(kuò)散，它需要組元之間的協(xié)同擴(kuò)散才能達(dá)到不同相的平衡分離。這種必要的協(xié)同擴(kuò)散，以及阻礙原子運(yùn)動(dòng)的晶格畸變，都會(huì)限制高熵合金中的有效擴(kuò)散速率。在高熵合金的鑄造過程中，冷卻時(shí)的相分離在高溫區(qū)間通常被抑制從而延遲到低溫區(qū)間。

4.性能上的“雞尾酒”效應(yīng)

高熵合金的“雞尾酒”效應(yīng)是指其多種元素的本生特性和他們之間相互作用使高熵合金呈現(xiàn)一種復(fù)雜效應(yīng)。這種“雞尾酒”效應(yīng)是一位印度科學(xué)家首先提出的。舉例來說，如果使用較多輕元素，合金的總體密度將會(huì)減小;如果使用較多的抗氧化元素，如鋁或硅，合金的高溫抗氧化能力就會(huì)提高。