當(dāng)下具有許多新奇特性的新型材料層出不窮，時(shí)不時(shí)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(lǐng)域發(fā)揮著“鳥槍換大炮”的作用，成為市場(chǎng)的新寵，讓人感嘆科技發(fā)展的日新月異。

例如曾經(jīng)的石墨烯，越來(lái)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(zhǔn)晶非晶，低維材料……

而高熵合金也是這樣一種備受關(guān)注的合金材料界“新秀”。

高熵合金靶材

什么是高熵合金？

這個(gè)“熵”大家并不陌生，在熱力學(xué)上，熵是表征系統(tǒng)混亂度的一個(gè)參數(shù)：系統(tǒng)的混亂度越大，則熵值就越高。換在合金材料體系中，當(dāng)原子的排列緊湊有序時(shí)，合金體系處于“低熵”的狀態(tài)；當(dāng)原子處于“自由活動(dòng)”的無(wú)序狀態(tài)時(shí)，合金體系則處于“高熵”狀態(tài)。

高熵合金就是比傳統(tǒng)合金熵值更高的合金，指的是在原子尺度上的化學(xué)無(wú)序或者拓?fù)錈o(wú)序，即合金的原子排列混亂度高，處于一個(gè)無(wú)序狀態(tài)。高熵合金內(nèi)部不同地方各有各的構(gòu)型，有的可能是四面體，有的可能是立方體，微觀構(gòu)型的種類復(fù)雜、繁多，此時(shí)我們稱高熵合金的組態(tài)熵很高。

高熵合金內(nèi)部構(gòu)型示意圖

之前的金屬合金，常常是基于一個(gè)主要元素（含量超過(guò)50%），并在此基礎(chǔ)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(xué)上的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)、性能上的雞尾酒效應(yīng)，容易獲得熱穩(wěn)定性高的固溶體相和納米結(jié)構(gòu)甚至非晶結(jié)構(gòu)，高熵合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蝕性等傳統(tǒng)合金所不能同時(shí)具備的優(yōu)異性能，成為近些年來(lái)最有發(fā)展?jié)摿Φ男虏牧现弧?/span>

傳統(tǒng)的合金材料庫(kù)已經(jīng)無(wú)法完全滿足越來(lái)越嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景，例如噴氣式飛機(jī)引擎葉片必須要承受極高的溫度，同時(shí)還要承受飛速的旋轉(zhuǎn)帶來(lái)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(qiáng)度，所以這就是高熵合金的巨大研究?jī)r(jià)值。

目前，高熵合金的概念已經(jīng)擴(kuò)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(zhì)合金，高熵硬質(zhì)合金等。

高熵合金的分類

1.過(guò)渡元素高熵合金

過(guò)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(guò)渡元素高熵合金中采用最多的元素組合。

過(guò)渡元素高熵合金基本都是 BCC 結(jié)構(gòu)相（脆性相）或 FCC 結(jié)構(gòu)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(guò)渡元素高熵合金。

部分常見(jiàn)過(guò)渡元素高熵合金和常見(jiàn)合金拉伸性能對(duì)比

（a）屈服強(qiáng)度隨溫度變化；（b）抗拉強(qiáng)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(jié)構(gòu)和熱防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)耐高溫材料使用溫度和性能的要求也越來(lái)越高，難熔高熵合金以其獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)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(yōu)異的高溫性能。與傳統(tǒng)高溫合金相比，難熔高熵合金在使用溫度和綜合力學(xué)性能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

為進(jìn)一步降低難熔高熵合金的密度、改善高溫力學(xué)性能以及高溫抗氧化性，近年來(lái)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(diǎn)。

3.高熵高溫合金

單相高熵合金雖然具有優(yōu)異的室溫力學(xué)性能，但其高溫強(qiáng)度卻無(wú)法令人滿意。早期難熔高熵合金的密度較高，無(wú)法滿足航空航天領(lǐng)域?qū)p質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相似的有序第二相的高熵合金，第二相起到析出強(qiáng)化作用。

4.共晶高熵合金

傳統(tǒng)高熵合金都是 FCC 結(jié)構(gòu)或 BCC 結(jié)構(gòu)的單相合金，難以兼具高強(qiáng)度和高塑性，同時(shí)高熵合金的鑄造性能差，鑄造宏/微觀偏析嚴(yán)重，限制了高熵合金的工業(yè)化應(yīng)用。

共晶高熵合金兼具了共晶和高熵合金的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的強(qiáng)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(tǒng)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(xiàn)，極大地?cái)U(kuò)展了非晶合金的應(yīng)用，其在磁制冷、軟磁性、生物醫(yī)用、比強(qiáng)度等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

高熵合金有哪些應(yīng)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(shè)備和電子設(shè)備中。經(jīng)研究表明，一些高熵合金體系具有優(yōu)異的軟磁性能。同時(shí)，可以解決目前常規(guī)軟磁材料的力學(xué)性能差，鑄造性能不穩(wěn)定的缺陷；在電機(jī)、變壓器等工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

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(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的金屬材料，需具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)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(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的關(guān)鍵材料。

高熵合金在高溫的條件下，具有非常優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和抗氧化性，這為一些在極端環(huán)境服役下的器件研發(fā)提供了新的方向。如在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，高溫服役工程材料上，高熵合金均展現(xiàn)出了非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

高熵合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

3.硬質(zhì)刀具涂層

硬質(zhì)刀具涂層是指通過(guò)在硬質(zhì)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(hù)涂層。高熵合金的高硬、高強(qiáng)的特點(diǎn)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(zhuǎn)換材料

光熱轉(zhuǎn)換是指通過(guò)反射、吸收或其他方式把太陽(yáng)輻射能集中起來(lái)，轉(zhuǎn)換成足夠高溫度的過(guò)程，以有效地滿足不同負(fù)載的要求。特殊的服役環(huán)境要求材料在具有良好的高溫穩(wěn)定性的同時(shí)，需要具有優(yōu)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(yōu)異的耐蝕性能及耐高溫性能；這為提高光熱轉(zhuǎn)換效率提供了新的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

5.輕質(zhì)高熵合金材料

輕量化是未來(lái)材料發(fā)展的一個(gè)重要方向，近年來(lái)高熵合金也開展了輕質(zhì)材料的研究，并開始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。常見(jiàn)的有手機(jī)殼，手機(jī)卡槽等精密器件。

應(yīng)用于日常生活輕質(zhì)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(dǎo)體擴(kuò)散阻擋層材料等。

總結(jié)

高熵合金未來(lái)可能的應(yīng)用發(fā)展領(lǐng)域有：

1.將高熵合金作為金屬焊接的過(guò)渡層或直接焊接立體成形，作為焊接材料應(yīng)用在焊接領(lǐng)域。

2.作為耐高溫及耐磨的涂層，發(fā)揮其熱穩(wěn)定性好和耐磨性的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于其可以表現(xiàn)出多種元素的特性，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，作高耐磨涂層。

3.作為耐腐蝕材料應(yīng)用在深海等對(duì)金屬耐腐蝕性要求較高的領(lǐng)域，發(fā)揮其耐腐蝕性能良好的優(yōu)勢(shì)。

4.由于輕質(zhì)高熵合金低密度、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，因而可考慮將輕質(zhì)高熵合金作為航空航天、艦船裝備等的修復(fù)材料或功能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)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(fù)雜多變，成分設(shè)計(jì)理論體系仍不完善，高熵材料應(yīng)用潛力的多元化，需要在建立高熵合金組織性能關(guān)系的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究鑄造、粉末冶金、塑性加工、焊接等成形加工技術(shù)，為高性能高熵合金在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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參考來(lái)源：

1.高熵合金及其他高熵材料研究新進(jìn)展，王曉鵬、孔凡濤；（1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，分析測(cè)試中心）；

2.高熵合金制備及研究進(jìn)展，陳永星、朱 勝、王曉明、杜文博、張垚（裝甲兵工程學(xué)院，裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）。

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