淺談高熵化合物的性能及應(yīng)用

賀戰(zhàn)文 姚昊宇

摘? 要：? 本文重點(diǎn)討論了高熵化合物的特點(diǎn)，研究了高熵金屬間化合物的性能及應(yīng)用。明確了高熵金屬化合物材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：高熵化合物;金屬間化合物;

引言

隨著航天科技的不斷進(jìn)步，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的各性能指標(biāo)要求也不斷提高。特別在高溫高壓等嚴(yán)苛的環(huán)境下，高熵材料的熱力學(xué)更穩(wěn)定[1]。同時(shí)在高溫條件下，高熵材料具有更加穩(wěn)定的力學(xué)效應(yīng)這都是因?yàn)楦哽亟饘倩衔锏脑渔I合力強(qiáng)、具有比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕、耐氧化的優(yōu)點(diǎn)，使得高熵材料在眾多材料中脫穎而出。金屬間化合物具備金屬的韌性和陶瓷的耐高溫性能都得益于金屬間化合物晶體中共價(jià)鍵與金屬鍵共同存在的特性。但因?yàn)榻饘匍g化合物的有序性同時(shí)也使其具備一定的脆性，由于現(xiàn)在加工技術(shù)的的缺陷以及室溫會(huì)使金屬間化合物的塑性大大降低卻也使其已無(wú)法得到廣泛應(yīng)用，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)合金大不相同[2]，但是倘如能用傳統(tǒng)加工技術(shù)的改進(jìn)來(lái)解決這一缺陷，使金屬間化合物的脆性問(wèn)題得到一定程度的突破和解決，拉近綜合性能指標(biāo)距離實(shí)際應(yīng)用要求的差距，高熵材料應(yīng)用也將更廣泛，也可幫助解決惡劣環(huán)境下材料應(yīng)用問(wèn)題。

一、高熵金屬間化合物的特性

高熵化合物具有高熵效應(yīng)，擁有更低的吉布斯自由能。組成合金的元素原子可以任意組合;因?yàn)楹辖鹪胤N類眾多，原子半徑等參數(shù)不一致，使得新型合金具有遲滯 擴(kuò)散效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[3]、高溫強(qiáng)度等與高熵合金的特點(diǎn)相似;新型合金還具備多主元的雞尾酒效應(yīng)，這種效應(yīng)可以聚集多種優(yōu)異的性能于一體，使其同時(shí)具備高溫強(qiáng)度、室溫塑性以及良好的抗氧化性能，通常這些特點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)在單一相合金中。

高熵金屬間化合物的優(yōu)異性能源于它的強(qiáng)化方式。對(duì)于二元的新型合金，它的形成需要兩種元素，從理論上講它們的原子半徑差以及價(jià)電子數(shù)差通常會(huì)有較大差異，這種差異會(huì)使其原子排列規(guī)律畸變[4-6]，另一方面，在同一亞點(diǎn)陣中，占位的元素原子種類很多，使其與位錯(cuò)之間的相互作用變得更加復(fù)雜，這樣一來(lái)新型合金就會(huì)比傳統(tǒng)意義上有序排列的金屬間化合物相具有更強(qiáng)的固溶強(qiáng)化能力，強(qiáng)度顯著提高。多種合金化元素共同組成了高熵金屬間化合物的亞點(diǎn)陣，因?yàn)閬嘃c(diǎn)陣中合金元素的種類以及含量的變化，每個(gè)原子附近的電子環(huán)境就會(huì)變得多樣化，這種周圍電子環(huán)境的變化會(huì)使得合金整體電子結(jié)構(gòu)的復(fù)和高熵合金類相似，高熵金屬間化合物也可能相同的特性，例如熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)以及性能上的雞尾酒效應(yīng)。在電子結(jié)構(gòu)上也具有多樣化效應(yīng)。高熵金屬間化合物的子晶格具有很多的主元素，因?yàn)闃?gòu)成元素的種類和含量不一樣，各主元素的電子環(huán)境也有很大的不同，所以，其鍵合類型遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)的固溶體合金和金屬間化合物。傳統(tǒng)的固溶體合金中僅僅有不定向的金屬，在金屬間化合物中由于原子間元素類別少之又少，因此它所擁有的鍵種的類別也十分少。

二、高熵化合物的應(yīng)用

因?yàn)楦哽鼗衔镌诟邷叵聯(lián)碛袠O其穩(wěn)固的力學(xué)性能和較為穩(wěn)定的熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)，將熵不變性概念應(yīng)用于超高溫陶瓷，專門研究了性能較好的高熵氧化物、碳化物和硼化物[7-10]。

VC、NbC、TiC等能夠在溫度較低的環(huán)境條件下燒結(jié)形成單相，但要求過(guò)渡金屬碳化物中的金屬陽(yáng)離子能夠任意更換卻不毀壞原來(lái)具有的對(duì)稱性。但是當(dāng)組元中具備 WC、Mo2C 兩個(gè)六方相化合物的時(shí)候，過(guò)渡金屬化合物是不具有能夠產(chǎn)生單相的高熵化合物的條件。利用非化學(xué)計(jì)量比TiN0.3制備出七元TiN0.3/VC/NbC/TiC/TaC/Mo2C/WC 的單相固溶體，體現(xiàn)出很好的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能。采用 TiN0.3 中濃度比較高的 N 原子空位來(lái)大大縮短材料的燒結(jié)溫度，加入的VC、NbC和TaC等一系列難熔金屬碳化物，在溫度比較低的環(huán)境條件條件下可以制備單相固溶體。將非化學(xué)計(jì)量比的TiN0.3作為高熵化合物的一組元，利用N空位擴(kuò)充擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力，加入VC、NbC、TiC、TaC 可制備單相的高熵化合物因而可以與ZrB2一起進(jìn)行燒結(jié)。

三、結(jié)語(yǔ)

本文主要研究高熵化合物以及高熵金屬間化合物的特性及用途，得出了以下結(jié)論：

1.高熵化合物在高溫下?lián)碛袠O其穩(wěn)固的力學(xué)性能和較為穩(wěn)定的熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)。

從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看高熵化合物具有遲滯、擴(kuò)散效應(yīng)可以使得新型合金生成多種亞穩(wěn)相。

2.高熵化合物熵不變性概念應(yīng)用于超高溫陶瓷，獲得了機(jī)能較好的高熵氧化物、碳化物和硼化物。

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基金項(xiàng)目：武漢輕工大學(xué)校立科研項(xiàng)目;項(xiàng)目名稱：過(guò)渡金屬共價(jià)鍵化合物的合金化研究（2021Y24）

作者簡(jiǎn)介：賀戰(zhàn)文，（1978.12-），男，漢，陜西咸陽(yáng)人，博士，武漢輕工大學(xué)副教授，研究方向：材料成型及制備;