淺談高熵化合物的性能及應(yīng)用

賀戰(zhàn)文 姚昊宇

摘? 要：? 本文重點討論了高熵化合物的特點，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發(fā)展趨勢。

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步，對結(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苛的環(huán)境下，高熵材料的熱力學(xué)更穩(wěn)定[1]。同時在高溫條件下，高熵材料具有更加穩(wěn)定的力學(xué)效應(yīng)這都是因為高熵金屬化合物的原子鍵合力強、具有比強度和比剛度高、耐腐蝕、耐氧化的優(yōu)點，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鍵與金屬鍵共同存在的特性。但因為金屬間化合物的有序性同時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使金屬間化合物的塑性大大降低卻也使其已無法得到廣泛應(yīng)用，這一點與傳統(tǒng)合金大不相同[2]，但是倘如能用傳統(tǒng)加工技術(shù)的改進來解決這一缺陷，使金屬間化合物的脆性問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;因為合金元素種類眾多，原子半徑等參數(shù)不一致，使得新型合金具有遲滯 擴散效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[3]、高溫強度等與高熵合金的特點相似;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，使其同時具備高溫強度、室溫塑性以及良好的抗氧化性能，通常這些特點不會出現(xiàn)在單一相合金中。

高熵金屬間化合物的優(yōu)異性能源于它的強化方式。對于二元的新型合金，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電子數(shù)差通常會有較大差異，這種差異會使其原子排列規(guī)律畸變[4-6]，另一方面，在同一亞點陣中，占位的元素原子種類很多，使其與位錯之間的相互作用變得更加復(fù)雜，這樣一來新型合金就會比傳統(tǒng)意義上有序排列的金屬間化合物相具有更強的固溶強化能力，強度顯著提高。多種合金化元素共同組成了高熵金屬間化合物的亞點陣，因為亞點陣中合金元素的種類以及含量的變化，每個原子附近的電子環(huán)境就會變得多樣化，這種周圍電子環(huán)境的變化會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)、動力學(xué)上的遲滯擴散效應(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，因為構(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，其鍵合類型遠遠多于傳統(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

因為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，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，但要求過渡金屬碳化物中的金屬陽離子能夠任意更換卻不毀壞原來具有的對稱性。但是當(dāng)組元中具備 WC、Mo2C 兩個六方相化合物的時候，過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)計量比的TiN0.3作為高熵化合物的一組元，利用N空位擴充擴散的驅(qū)動力，加入VC、NbC、TiC、TaC 可制備單相的高熵化合物因而可以與ZrB2一起進行燒結(jié)。

三、結(jié)語

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。

從動力學(xué)角度來看高熵化合物具有遲滯、擴散效應(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，獲得了機能較好的高熵氧化物、碳化物和硼化物。

參考文獻

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基金項目：武漢輕工大學(xué)校立科研項目;項目名稱：過渡金屬共價鍵化合物的合金化研究（2021Y24）

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