當下具有許多新奇特性的新型材料層出不窮，時不時有些新概念的材料橫空出世，迅速吸引各界研究者的眼光，在某些領域發揮著“鳥槍換大炮”的作用，成為市場的新寵，讓人感嘆科技發展的日新月異。

例如曾經的石墨烯，越來越舉足輕重的碳纖維，吸引眾多目光的金屬陶瓷、金屬玻璃，各類型的新型能源材料，準晶非晶，低維材料……

而高熵合金也是這樣一種備受關注的合金材料界“新秀”。

高熵合金靶材

什么是高熵合金？

這個“熵”大家并不陌生，在熱力學上，熵是表征系統混亂度的一個參數：系統的混亂度越大，則熵值就越高。換在合金材料體系中，當原子的排列緊湊有序時，合金體系處于“低熵”的狀態；當原子處于“自由活動”的無序狀態時，合金體系則處于“高熵”狀態。

高熵合金就是比傳統合金熵值更高的合金，指的是在原子尺度上的化學無序或者拓撲無序，即合金的原子排列混亂度高，處于一個無序狀態。高熵合金內部不同地方各有各的構型，有的可能是四面體，有的可能是立方體，微觀構型的種類復雜、繁多，此時我們稱高熵合金的組態熵很高。

高熵合金內部構型示意圖

之前的金屬合金，常常是基于一個主要元素（含量超過50%），并在此基礎上添加微量元素，但高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)是由5種以上元素組元按照等原子比或近等原子比合金化，一般形成固溶體的一類混合熵較高的合金。

由于具有熱力學上的高熵效應、結構上的晶格畸變效應、動力學上的遲滯擴散效應、性能上的雞尾酒效應，容易獲得熱穩定性高的固溶體相和納米結構甚至非晶結構，高熵合金具有高強度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蝕性等傳統合金所不能同時具備的優異性能，成為近些年來最有發展潛力的新材料之一。

傳統的合金材料庫已經無法完全滿足越來越嚴苛的應用場景，例如噴氣式飛機引擎葉片必須要承受極高的溫度，同時還要承受飛速的旋轉帶來的巨大離心力，這就意味著葉片材料必須在高溫下仍然能保持一定的強度，所以這就是高熵合金的巨大研究價值。

目前，高熵合金的概念已經擴展到了高熵陶瓷，高熵薄膜，高熵鋼，高熵高溫合金，鋁鎂系高熵輕質合金，高熵硬質合金等。

高熵合金的分類

1.過渡元素高熵合金

過渡元素高熵合金以Al、Mg、Co、Cu、Cr、Fe、Mn、Ni，Ti、Sn 和 Zn 等作為主元素，其中AlCrFeNi、CoCrFeNi、AlCoFeNi、AlCoCrNi和AlCoCrFe是目前過渡元素高熵合金中采用最多的元素組合。

過渡元素高熵合金基本都是 BCC 結構相（脆性相）或 FCC 結構相（塑性相）的固溶體合金，一開始研究的高熵合金基本都是過渡元素高熵合金。

部分常見過渡元素高熵合金和常見合金拉伸性能對比

（a）屈服強度隨溫度變化；（b）抗拉強度隨溫度變化；

2.難熔高熵合金

隨著航空航天飛行器飛行速率的提高，高溫承載結構和熱防護結構對耐高溫材料使用溫度和性能的要求也越來越高，難熔高熵合金以其獨特的組織結構和優異的高溫性能成為重要的候選材料之一。

難熔高熵合金主要是以難熔金屬元素 Mo、Ti、V、Nb、Hf、Ta、Cr、W、Zr 以及 Al 等為主元素，這類高熵合金具有優異的高溫性能。與傳統高溫合金相比，難熔高熵合金在使用溫度和綜合力學性能方面具有獨特的優勢。

為進一步降低難熔高熵合金的密度、改善高溫力學性能以及高溫抗氧化性，近年來含低密度元素和抗氧化元素的難熔高熵合金逐漸成為研究熱點。

3.高熵高溫合金

單相高熵合金雖然具有優異的室溫力學性能，但其高溫強度卻無法令人滿意。早期難熔高熵合金的密度較高，無法滿足航空航天領域對輕質耐高溫結構材料的要求，隨著輕金屬元素 Al、Ti 等的加入，難熔高熵合金的密度顯著降低，但在單相基體上形成了析出相。

高熵高溫合金是一類以 FCC 或 BCC 固溶體為基體，在基體上均勻分布著晶體結構相似的有序第二相的高熵合金，第二相起到析出強化作用。

4.共晶高熵合金

傳統高熵合金都是 FCC 結構或 BCC 結構的單相合金，難以兼具高強度和高塑性，同時高熵合金的鑄造性能差，鑄造宏/微觀偏析嚴重，限制了高熵合金的工業化應用。

共晶高熵合金兼具了共晶和高熵合金的優點，具有優異的強度和塑性、良好的高溫蠕變抗力、低能相界且組織可控。

5.高熵非晶合金

高熵非晶合金被定義為由五種或者五種以上元素等/近等原子比形成的非晶合金，與傳統單一主元素的非晶合金相比，高熵非晶合金具有更高的混合熵。

高熵非晶合金的出現，極大地擴展了非晶合金的應用，其在磁制冷、軟磁性、生物醫用、比強度等方面具有顯著的優勢。

高熵合金有哪些應用？

1.高熵軟磁材料

軟磁材料易于磁化，也易于退磁，廣泛用于電工設備和電子設備中。經研究表明，一些高熵合金體系具有優異的軟磁性能。同時，可以解決目前常規軟磁材料的力學性能差，鑄造性能不穩定的缺陷；在電機、變壓器等工業領域展現出了非常大的發展潛力。

軟磁材料

2.高溫合金材料

高溫合金是指能夠在高溫及一定應力條件下長期工作的金屬材料，需具有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，是發動機熱端部件不可替代的關鍵材料。

高熵合金在高溫的條件下，具有非常優異的高溫穩定性和抗氧化性，這為一些在極端環境服役下的器件研發提供了新的方向。如在發動機葉片，高溫服役工程材料上，高熵合金均展現出了非常大的發展潛力。

高熵合金用于發動機葉片

3.硬質刀具涂層

硬質刀具涂層是指通過在硬質合金刀片的表面上涂覆一層高硬、耐磨的合金薄層，作為常用的車、銑、刨、磨常用工具刀的保護涂層。高熵合金的高硬、高強的特點剛好可以滿足這一材料的需求。

用于刀具涂層

4.高熵光熱轉換材料

光熱轉換是指通過反射、吸收或其他方式把太陽輻射能集中起來，轉換成足夠高溫度的過程，以有效地滿足不同負載的要求。特殊的服役環境要求材料在具有良好的高溫穩定性的同時，需要具有優異的耐蝕性能、較低的膨脹率及耐候性。

高熵合金薄膜具有優異的耐蝕性能及耐高溫性能；這為提高光熱轉換效率提供了新的發展潛力。

5.輕質高熵合金材料

輕量化是未來材料發展的一個重要方向，近年來高熵合金也開展了輕質材料的研究，并開始實現商業化應用。常見的有手機殼，手機卡槽等精密器件。

應用于日常生活輕質合金器件

6.其他

高熵合金還可以用于高熵焊纖材料、低活化高熵合金、模具材料、催化材料，半導體擴散阻擋層材料等。

總結

高熵合金未來可能的應用發展領域有：

1.將高熵合金作為金屬焊接的過渡層或直接焊接立體成形，作為焊接材料應用在焊接領域。

2.作為耐高溫及耐磨的涂層，發揮其熱穩定性好和耐磨性的優點。同時由于其可以表現出多種元素的特性，可應用于生物醫學，作高耐磨涂層。

3.作為耐腐蝕材料應用在深海等對金屬耐腐蝕性要求較高的領域，發揮其耐腐蝕性能良好的優勢。

4.由于輕質高熵合金低密度、高強度的特點，因而可考慮將輕質高熵合金作為航空航天、艦船裝備等的修復材料或功能結構材料應用。

盡管在不同成分高熵材料的制備工藝和組織性能方面取得大量的研究成果，但高熵合金成分組合復雜多變，成分設計理論體系仍不完善，高熵材料應用潛力的多元化，需要在建立高熵合金組織性能關系的基礎上，系統地研究鑄造、粉末冶金、塑性加工、焊接等成形加工技術，為高性能高熵合金在工業領域的應用奠定技術基礎。

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參考來源：

1.高熵合金及其他高熵材料研究新進展，王曉鵬、孔凡濤；（1．哈爾濱工業大學，材料科學與工程學院；2．哈爾濱工業大學，分析測試中心）；

2.高熵合金制備及研究進展，陳永星、朱 勝、王曉明、杜文博、張垚（裝甲兵工程學院，裝備再制造技術國防科技重點實驗室）。

粉體圈小吉