ดาวรุ่งพุ่งแรงในวัสดุโลหะผสม-โลหะผสมที่สูง

1. ต้นกำเนิดของชื่อ

ในฐานะดาวรุ่งที่เพิ่มขึ้นในด้านวัสดุโลหะผสมการกำเนิดของโลหะผสมที่มีความสูง (HEAS) เชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดของเอนโทรปี . แต่อะไรคือเอนโทรปี? ก่อนที่จะเปิดเผยความลึกลับของโลหะผสมที่มีความสูงสูงมาสำรวจโลกแห่งเอนโทรปีก่อน .

แนวคิดของเอนโทรปีได้รับการแนะนำโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Rudolf Clausius ใน 1865. ในอุณหพลศาสตร์เอนโทรปีเป็นพารามิเตอร์ที่อธิบายถึงระดับของความผิดปกติในระบบ-ความผิดปกติที่สูงขึ้นเอนโทรปี .}

เพื่อให้เข้าใจแนวคิดนี้ได้ดีขึ้นให้ใช้ชั้นเรียนพลศึกษา (PE) เป็นตัวอย่าง:

สถานะการเข้าสู่ระดับต่ำ: เมื่อนักเรียนทุกคนสวมเครื่องแบบเดียวกันโดยมีข้อยกเว้นเพียงไม่กี่ตัวยืนอยู่ในแถวที่เรียบร้อยและดำเนินการออกกำลังกายอุ่นเครื่องในรูปแบบกะทัดรัดช่วงการเคลื่อนไหวของพวกเขามี จำกัด และเอนโทรปีของระบบต่ำ .}}

สถานะที่มีความสูงสูง: เมื่อนักเรียนสวมชุดที่หลากหลายกระจายตัวหลังจากการก่อตัวถูกไล่ออกและมีส่วนร่วมในกิจกรรมฟรีช่วงการเคลื่อนไหวจะเพิ่มขึ้นและชั้นเรียนจะไม่เป็นระเบียบมากขึ้น

โดยการเปรียบเทียบเราสามารถนึกถึงนักเรียนแต่ละคนเป็นหน่วยอะตอมในโลหะผสม . เมื่อมีการจัดอะตอมในลักษณะที่เป็นระเบียบคล้ายกับนักเรียนที่ยืนอยู่ในการก่อตัวระบบอัลลอยด์อยู่ในสถานะเอนโทรปีต่ำ .

เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมทั่วไปผู้มาใหม่นี้ไปยังโลกอัลลอยด์มีค่าเอนโทรปีที่สูงกว่า . นักวิทยาศาสตร์วัสดุตั้งชื่อมันเป็นอัลลอยด์ระดับสูง . ในบริบทนี้ แนวคิดของอัลลอยด์ที่มีเอนโทรปิสูงมาสำรวจว่าวัสดุที่น่าสนใจนี้ถูกค้นพบ .} อย่างไร

2. การค้นพบโลหะผสมที่มีความสูง

รากฐานสำหรับการค้นพบโลหะผสมที่มีความสูงสูงถูกวางไว้เร็วเท่าศตวรรษที่ 18 ปลาย . นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันและนักโลหะวิทยา Franz Karl Achard ได้ทำการศึกษานวัตกรรมที่เขาเตรียมไว้ด้วยโลหะผสมหลายองค์ประกอบ

จนกระทั่งปี 1963 ที่ศาสตราจารย์ Cyril Stanley Smith (Smith, 1963) สังเกตเห็นและรายงานการวิจัยนี้ . จากบันทึกการทดลองที่มีอยู่ตอนนี้เชื่อว่านี่เป็นหนึ่งในการศึกษาครั้งแรกที่เกี่ยวข้องกับโลหะผสมระดับสูง .}}}}}}}}

น่าเสียดายที่เนื่องจากขาดความสนใจความคืบหน้าของโลหะผสมที่มีความสูงสูงจนตรอกมานานหลายทศวรรษ . จนกระทั่งถึงปี 1990 ที่ความสนใจในโลหะผสมที่มีการเอนกายสูงนั้นครองราชย์ . ในปี 1993 โครงสร้าง . ในเวลาเดียวกันนักวิชาการชาวไต้หวัน Yeh Jien-Wei และทีมงานของเขาได้แนะนำโลหะผสมการออกแบบโลหะผสมที่ออกแบบใหม่ด้วยองค์ประกอบหลัก ๆ และเอนโทรปีผสมสูงซึ่งพวกเขาตั้งชื่อโลหะผสมระดับสูง

อย่างไรก็ตามความคืบหน้าทางวิทยาศาสตร์มักจะต้องใช้เวลา . แม้จะมีการแนะนำแนวคิดนี้ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องยังไม่ได้เผยแพร่มานานหลายปี .

ในที่สุดในปี 2004 ศาสตราจารย์คันทอร์จากสหราชอาณาจักรได้ทำการทดลองซึ่งเขาละลายอัลลอยด์ผสม-entropy สูง . น่าประหลาดใจแทนที่จะสร้างโครงสร้าง amorphous ที่คาดการณ์ไว้ ทำเครื่องหมายการเกิดของโลหะผสม entropy สูง .

เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ที่น่าสนใจนี้ศาสตราจารย์จางยงแห่งมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่งให้ข้อมูลเชิงลึกทางทฤษฎีวางรากฐานสำหรับการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Heas . ตั้งแต่นั้นมาโลหะผสมที่อยู่ใต้ดินสูง

เมื่อความกระตือรือร้นในการวิจัยเพิ่มขึ้นแนวคิดของโลหะผสมที่มีความสูงสูงได้ขยายไปสู่สาขาที่เกี่ยวข้องอย่างรวดเร็วเช่น:

เซรามิกที่มีความสูง

ฟิล์มบาง ๆ

เหล็กกล้าสูง

ซุปเปอร์อัลลอยโฉ่สูง

โลหะผสมน้ำหนักเบาที่มีน้ำหนักเบาสูงจาก MG

อัลลอยด์แข็งสูง

3. ลักษณะเฉพาะของอัลลอยด์สูง

อัลลอยด์เอนโทรปีสูงแนะนำมุมมองใหม่ในการออกแบบโลหะผสมโดยใช้หลักการเอนโทรปีแบบกำหนดค่า . เมื่อเทียบกับโลหะผสมทั่วไป, คุณสมบัติการออกแบบที่โดดเด่นและคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ . สามารถเข้าใจได้จากสี่ด้านต่อไปนี้

(1) ลักษณะองค์ประกอบ

HEAS รวมองค์ประกอบหลักหลายอย่างเพื่อแนะนำความผิดปกติทางเคมีโดยไม่มีองค์ประกอบที่โดดเด่นเพียงอย่างเดียว . ซึ่งแตกต่างจากโลหะผสมดั้งเดิมซึ่งโดยทั่วไปจะมีองค์ประกอบพื้นฐานหลัก HEAs ประกอบด้วยองค์ประกอบการผสมที่สำคัญหลายอย่าง . ลักษณะสำคัญของการออกแบบองค์ประกอบ HEA รวมถึง::

1. โลหะผสมต้องมีองค์ประกอบที่แตกต่างกันอย่างน้อยห้าองค์ประกอบ .

2. เปอร์เซ็นต์อะตอมของแต่ละองค์ประกอบจะต้องอยู่ระหว่าง 5% ถึง 35% .

(2) ลักษณะการพัฒนา

ในขณะที่การวิจัยดำเนินไปแนวคิดของโลหะผสมที่มีความสูงสูงได้พัฒนาผ่านสามขั้นตอนหลัก:

HEAS รุ่นแรก:

ประกอบด้วยองค์ประกอบการผสมห้ารายการขึ้นไป .

องค์ประกอบคือ equiatomic (อัตราส่วนอะตอมเท่ากัน) .

โครงสร้าง: อัลลอยโซลูชันโซลูชันที่ซับซ้อนเฟสเดี่ยว .}

HEAS รุ่นที่สอง:

ประกอบด้วยองค์ประกอบการผสมสี่หรือมากกว่า .

อัตราส่วนองค์ประกอบที่ไม่ใช่ Equiatomic .

โครงสร้าง: อัลลอยโซลูชันโซลูชันแบบสองเฟสหรือหลายเฟสคอมเพล็กซ์ .

HEAS รุ่นที่สาม:

ขยายออกเป็นฟิล์มบางและเซรามิกส์สูง entropy .

(3) ลักษณะโครงสร้าง

แม้จะมีองค์ประกอบองค์ประกอบหลายอย่างของพวกเขาอัลลอยด์ที่มีความสูงสูงมักจะก่อให้เกิดโครงสร้างเฟสที่ค่อนข้างง่ายเมื่อมีการทำให้แข็งตัว . สารละลายที่เป็นของแข็งที่ละลายในการสุ่มเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะเฉพาะของ heas ซึ่งมักจะแสดง:

โครงสร้างลูกบาศก์แบบศูนย์กลาง (FCC)

โครงสร้างลูกบาศก์ (BCC) ที่เน้นร่างกายเป็นศูนย์กลาง

โครงสร้าง (HCP) หกเหลี่ยมแบบหกเหลี่ยม

นอกจากนี้เฟส amorphous อาจเกิดขึ้นในบาง heas .

บทสรุป

อัลลอยด์เอนโทรปีสูงแสดงถึงความก้าวหน้าในการปฏิวัติในด้านวัสดุโลหะผสม . องค์ประกอบที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกเขาวิธีการออกแบบใหม่และคุณสมบัติที่มีแนวโน้มทำให้พวกเขามีค่าสูงสำหรับวัสดุโครงสร้างและการใช้งานยุคต่อไป . ด้วยการวิจัยอย่างต่อเนื่อง ฟิลด์ .

รูปที่ 1 โครงสร้างเฟสของโลหะผสมเอนโทรปีสูง

(4) คุณสมบัติประสิทธิภาพที่ตรวจสอบแล้ว

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าโลหะผสมที่มีความสูง (HEAS) มีคุณสมบัติที่เหนือกว่าจำนวนมากเมื่อเทียบกับโลหะผสมดั้งเดิม . ปัจจุบันผลการปฏิบัติที่สำคัญห้าประการของ HEAS ได้รับการยืนยันทางวิทยาศาสตร์:

1. พลังงานความผิดพลาดต่ำ

2. เสถียรภาพทางความร้อน

3. ความต้านทานรังสี

4. ความต้านทานการกัดกร่อน

5. การลดผลกระทบการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพ

4. แอปพลิเคชันที่ใช้งานได้จริง: ที่ซึ่งโลหะผสมที่มีความสูงสูงเปล่งประกาย

หลักการออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์ของโลหะผสมที่มีความสูงสูงทำให้พวกเขามีคุณสมบัติที่โดดเด่นหลากหลายรวมถึงประสิทธิภาพเชิงกลอุณหภูมิต่ำที่ยอดเยี่ยมการกัดกร่อนและการสึกหรอความต้านทานความมั่นคงอุณหภูมิสูงและคุณสมบัติแม่เหล็กอ่อนที่เป็นพิเศษ ความสามารถ .

(1) วัสดุแม่เหล็กนุ่ม ๆ

วัสดุแม่เหล็กที่อ่อนนุ่มนั้นมีลักษณะโดยการบรรลุการสะกดจิตสูงสุดด้วยสนามแม่เหล็กภายนอกขั้นต่ำ . พวกมันง่ายต่อการแม่เหล็กและ demagnetize ทำให้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ .}

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าระบบโลหะผสมที่มีความสูงบางอย่างมีคุณสมบัติแม่เหล็กอ่อนที่ยอดเยี่ยม . นอกจากนี้พวกเขายังช่วยเอาชนะข้อบกพร่องของวัสดุแม่เหล็กอ่อนทั่วไปเช่นคุณสมบัติเชิงกลที่ไม่ดีและประสิทธิภาพการหล่อที่ไม่แน่นอน .

(2) วัสดุโลหะผสมอุณหภูมิสูง

โลหะผสมอุณหภูมิสูงเป็นวัสดุโลหะที่สามารถทำงานภายใต้อุณหภูมิสูงและเงื่อนไขความเครียดที่เฉพาะเจาะจงสำหรับระยะเวลานาน . โลหะผสมเหล่านี้ต้องการ:

ความแข็งแรงอุณหภูมิสูงที่ยอดเยี่ยม

การออกซิเดชั่นที่ยอดเยี่ยมและความต้านทานการกัดกร่อนด้วยความร้อน

ความต้านทานความเหนื่อยล้าที่ดีและความเหนียวแตกหัก

พวกเขาเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับส่วนประกอบของเครื่องยนต์ร้อน . การวิจัยบ่งชี้ว่าโลหะผสมที่มีความสูงสูงแสดงให้เห็นถึงความเสถียรทางความร้อนและความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง . การพัฒนานี้นำเสนอความเป็นไปได้ใหม่สำหรับการพัฒนาส่วนประกอบที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเช่น

ใบพัดกังหันเครื่องยนต์

วัสดุวิศวกรรมอุณหภูมิสูง

(3) การเคลือบเครื่องมือแข็ง

การเคลือบเครื่องมืออย่างหนักเกี่ยวข้องกับการสะสมความแข็งสูงอัลลอยด์ที่ทนต่อการสึกหรอบางชั้นบนพื้นผิวเครื่องมือตัดเพื่อป้องกันการหมุนการกัดการวางแผนและเครื่องมือบด . ความแข็งและความแข็งแรงของ HEAs ทำให้พวกเขาเป็นผู้สมัครในอุดมคติสำหรับการเคลือบเช่นการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องมือ

(4) วัสดุการแปลงความร้อนสูง

การแปลงด้วยแสงอุณหภูมิหมายถึงกระบวนการมุ่งเน้นพลังงานรังสีแสงอาทิตย์ผ่านการสะท้อนการดูดซึมหรือกลไกอื่น ๆ เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่สูงพอและตอบสนองความต้องการพลังงานต่าง ๆ .

เนื่องจากเงื่อนไขการบริการที่รุนแรงของวัสดุความร้อนความร้อนพวกเขาจะต้องแสดง:

ความมั่นคงอุณหภูมิสูงที่ยอดเยี่ยม

ความต้านทานการกัดกร่อนที่เหนือกว่า

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ

ความต้านทานต่อสภาพอากาศที่แข็งแกร่ง

การศึกษาได้แสดงให้เห็นว่าฟิล์มบางโลหะผสมที่มีความสูงมีความต้านทานการกัดกร่อนที่โดดเด่นและความเสถียรอุณหภูมิสูงทำให้พวกเขามีแนวโน้มสูงในการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงด้วยแสงความร้อนและการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่ก้าวหน้า .}

รูปที่ 2: หลอดเก็บความร้อนของเครื่องแปลงความร้อน

(5) วัสดุโลหะผสมเอนโทรปีสูงน้ำหนักเบา

น้ำหนักเบาเป็นทิศทางที่สำคัญสำหรับการพัฒนาวัสดุในอนาคต . ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาโลหะผสมเอนโทรปีสูงได้รับการศึกษาสำหรับวัสดุที่มีน้ำหนักเบาและได้เริ่มทำการค้า . ตัวอย่างทั่วไปรวมถึงเคสโทรศัพท์มือถือสล็อตการ์ดโทรศัพท์มือถือและชิ้นส่วนที่แม่นยำอื่น ๆ

รูปที่ 3 เคสโทรศัพท์มือถือปั๊ม

(6) แอปพลิเคชันอื่น ๆ

โลหะผสมที่มีความสูงสูงยังมีศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในสาขาอื่น ๆ รวมถึง::

วัสดุเชื่อมที่มีความสูง

โลหะผสมที่มีการเปิดใช้งานต่ำ

วัสดุแม่พิมพ์

วัสดุเร่งปฏิกิริยา

เลเยอร์การแพร่กระจายของเซมิคอนดักเตอร์

5. อนาคตของโลหะผสมที่มีความสูง

อัลลอยด์ที่มีความสูง (HEAS) สามารถพัฒนาได้อย่างไร คำถามนี้เป็นข้อกังวลหลักสำหรับนักวิทยาศาสตร์เมื่อพัฒนาวัสดุระดับใหม่ . การเลือกทิศทางการวิจัยที่ถูกต้องเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการบรรลุความก้าวหน้าสูงสุดด้วยความพยายามน้อยที่สุด

มองไปข้างหน้ามีสองทิศทางการพัฒนาที่สำคัญที่สมควรได้รับความสนใจมากที่สุด:

(1) การระบุภูมิภาคประสิทธิภาพที่คุ้มค่าที่สุด

จากโลหะผสมดั้งเดิมไปจนถึงโลหะผสมที่มีความสูงสูงวัสดุได้พัฒนาไปตามแนวโน้มของการเพิ่มเอนโทรปี . อย่างไรก็ตามผลการทดลองบ่งชี้ว่าความสัมพันธ์ระหว่างการผสมเอนโทรปีและประสิทธิภาพของวัสดุนั้นไม่เป็นเชิงเส้น . ในแง่ง่าย

การติดตามเอนโทรปีที่สูงขึ้นไม่รับประกันการเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุ . อย่างไม่ จำกัด เมื่อเอนโทรปีเพิ่มขึ้นดังนั้นจำนวนองค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบจึงเพิ่มขึ้นโดยตรงกับการเพิ่มประสิทธิภาพของโลหะผสม ผลลัพธ์ . "

จากการวิเคราะห์ทางสถิติภูมิภาคที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดไม่ได้อยู่ในโดเมนโลหะผสมที่มีความสูง แต่อยู่ที่ขอบเขตระหว่างโลหะผสมกลางกลางและโลหะผสมที่มีความสูง . ภูมิภาคนี้รวมถึงวัสดุเช่น::

โลหะผสมอุณหภูมิสูง

โลหะผสมอสัณฐาน

เหล็กกล้าไร้สนิม

อัลลอยด์กลางเข้า

วัสดุเหล่านี้มีความสมดุลที่ดีขึ้นระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพทำให้ภูมิภาคเปลี่ยนผ่านนี้เป็นพื้นที่สำคัญสำหรับการพัฒนาวัสดุในอนาคต .

รูปที่ 4 "คุ้มค่าต้นทุน" ของวัสดุโลหะผสม

(2) การพัฒนาวิธีการวิจัยวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูง

อัลลอยด์สูง (HEAs) แสดงคุณสมบัติเชิงกลที่โดดเด่นความต้านทานอุณหภูมิสูงความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการกัดกร่อนทำให้พวกเขามีแนวโน้มสูงในสาขาต่าง ๆ . อย่างไรก็ตามการวิจัยเกี่ยวกับการรวมตัวกันของฟิล์มอัลลอยด์ คุณสมบัติไม่เป็นไปตามความสัมพันธ์เชิงเส้นกับเอนโทรปี . ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะออกแบบวัสดุหลายองค์ประกอบที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นอยู่กับการผสมเอนโทรปี .

การออกแบบและพัฒนาวัสดุเป็นกระบวนการที่ใช้เวลานานดังนั้นการปรับปรุงประสิทธิภาพการวิจัยจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการเร่งความก้าวหน้าของ HEAS .

บทบาทของเทคโนโลยีความเร็วสูง

ในบริบทนี้การใช้เทคโนโลยีที่มีปริมาณงานสูง (HT) กลายเป็นสิ่งจำเป็น . แต่เทคโนโลยีความเร็วสูงคืออะไรและจะเร่งการพัฒนาวัสดุได้อย่างไร

หากเราเปรียบเทียบวัสดุโลหะผสมกับมหาสมุทรและการพัฒนาระบบโลหะผสมใหม่กับการตกปลาแล้ววิธีการเตรียมแบบดั้งเดิมก็เหมือนกับการตกปลาด้วยก้านที่นักวิจัยสามารถรับระบบโลหะผสมได้เพียงครั้งเดียวในแต่ละครั้ง . วิธีนี้

ทีนี้ลองจินตนาการว่านักวิจัยสามารถใช้ตาข่ายแทนที่จะใช้ก้านประมงช่วยให้พวกเขาสามารถจับระบบอัลลอยหลายตัวในความพยายามครั้งเดียว . วิธีการนี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการวิจัยอย่างมาก . เทคโนโลยีที่มีปริมาณสูงตามหลักการที่คล้ายกัน

อนาคตที่สดใสสำหรับโลหะผสมที่มีความสูง

Heas อยู่ในช่วงการเติบโตอย่างรวดเร็วโดยจีนเกิดขึ้นในฐานะกำลังสำคัญในการวิจัยระดับโลก . ในวันนี้ในฐานะดาวรุ่งที่เพิ่มขึ้นของสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุ HEAs ยังคงดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก .}}

แม้ว่าความท้าทายมากมายยังคงอยู่ แต่พวกเขายังไม่ได้ขัดขวางนักวิจัยจากการผลักดันไปข้างหน้า . เป็นพรมแดนใหม่ในวัสดุโลหะผสม Heas ถือศักยภาพอันยิ่งใหญ่และสัญญาสำหรับอนาคต . ความลึกลับของพวกเขากำลังรอการคลี่คลายและความเป็นไปได้ของพวกเขา