1. nimen alkuperä
Nousevana tähtiä seosmateriaalien kentällä korkean entropiaseosten (HEA) syntymä on läheisesti yhteydessä entropian käsitteeseen. Mutta mikä tarkalleen on entropia? Ennen kuin paljastamme korkean entropian seosten mysteerit, tutkitaan ensin entropian maailmaa.
Entropian käsitteen otti käyttöön saksalainen fyysikko Rudolf Clausius vuonna 1865. Termodynamiikassa entropia on parametri, joka kuvaa häiriöastetta järjestelmässä-suurempi häiriö, sitä suurempi entropia.
Ymmärtääksesi paremmin tätä käsitettä, käytämme esimerkiksi fyysisen koulutuksen (PE) luokkaa:
Matala entropiatila: Kun kaikki opiskelijat käyttävät samaa univormua vain muutamalla poikkeuksella, seiso siistissä riveissä ja suorittaa lämmittelylämpöharjoituksia kompakti muodostelmassa, niiden liikkumisalue on rajoitettu ja järjestelmän entropia on pieni.
Korkean entropian tila: Kun opiskelijat käyttävät erilaisia asusteita, leviäminen muodostumisen jälkeen hylätään ja harjoittavat vapaata toimintaa, liikkumisalue kasvaa ja luokka muuttuu epäjärjestyksellisemmäksi, mikä johtaa korkean entropian tilaan.
Analogialla voimme ajatella jokaista opiskelijaa atomiyksikkönä seoksessa. Kun atomit on järjestetty järjestetyllä tavalla, samanlaisia kuin muodostumisessa seisovat opiskelijat, seosjärjestelmä on matalan entropian tilassa. Sitä vastoin, kun atomit jakautuvat satunnaisesti ja liikkuvat vapaasti, järjestelmä saavuttaa korkean entropian tilan.
Verrattuna tavanomaisiin seoksiin, tällä seosmaailman uudella tulokkaalla on korkeampi entropia -arvo. Siksi materiaalitieteilijät nimittivät sen korkean entropian seokseksi. Tässä yhteydessä "korkea entropia" viittaa korkeaan kemiallisen tai topologisen häiriön asteeseen atomi -asteikolla, mikä tarkoittaa seoksen atomijärjestelyä erittäin kaoottisesti. Nyt kun olemme ottaneet käyttöön korkean entropiaseosten käsitteen, tutkitaan, kuinka tämä kiehtova materiaali löydettiin.
2. Korkean entropiaseosten löytäminen
Säätiö korkean entropiaseosten löytämiselle asetettiin jo 1800-luvun lopulla. Saksalainen tiedemies ja metallurgisti Franz Karl Achard suoritti innovatiivisen tutkimuksen, jossa hän valmisti sarjan monikomponenttiseoksia, jotka sisälsivät viisi tai seitsemän elementtiä. Metallurgistit kuitenkin jättivät tämän uraauurtavan työn suurelta osin huomiotta.
Vasta vuonna 1963 professori Cyril Stanley Smith (Smith, 1963) huomasi ja kertoi tästä tutkimuksesta. Nykyisten kokeellisten tietojen perusteella nyt uskotaan, että tämä oli yksi varhaisimmista tutkimuksista, jotka liittyivät korkean entropian seoksiin.
Valitettavasti huomion puutteen vuoksi korkean entropian seosten eteneminen pysähtyi vuosikymmenien ajan. Vasta 1990-luvulla kiinnostus korkean entropian seoksiin oli hallittu. Vuonna 1993 Cambridgen yliopiston tutkijat ehdottivat "sekavuusperiaatetta", mikä viittaa siihen, että seokset, joilla on korkeampi entropia, muodostavat todennäköisemmin amorfisia rakenteita. Samanaikaisesti Taiwanilainen tutkija Yeh Jien-Wei ja hänen tiiminsä esittelivät innovatiivisen seosten suunnittelukonseptin suunnittelemat seokset, joissa oli useita pääosia ja korkean sekoittumisen entropian, jonka he nimittivät korkean entropian seokset.
Tieteellinen kehitys vie kuitenkin usein aikaa. Tämän konseptin käyttöönotosta huolimatta siihen liittyvät tutkimustulokset pysyivät julkaisematta vuosia.
Lopuksi, vuonna 2004 Ison-Britannian professori Cantor suoritti kokeilun, jossa hän sulasi korkean sekoittumisen entropiaseoksen. Yllättäen sen sijaan, että muodostettaisiin odotettu amorfinen rakenne, seos kehitti useita hauraita kiteisiä faaseja. Tämä havainto oli ristiriidassa sekaannusperiaatteen kanssa, mutta vahvisti Yehin suunnitteluteorian. Tämä odottamaton löytö merkitsi virallisesti korkean entropiaseosten syntymää.
Selittääksesi tämän kiehtovan ilmiön, Pekingin tiede- ja teknologiayliopiston professori Zhang Yong tarjosi teoreettisia oivalluksia ja loi perustan HEA: n jatkotutkimukselle. Siitä lähtien korkean entropian seokset ovat nousseet loistavana tähtiä seostimateriaalien kentällä.
Tutkimuksen innostumisen kasvaessa korkean entropiaseosten käsite on nopeasti laajentunut siihen liittyviin aloihin, kuten:
Korkean entropian keramiikka
Korkean entropian ohutkalvot
Korkean entropian teräs
Korkean entropian superseokset
Al-MG-pohjaiset korkean entropian kevyet seokset
Korkean entropian kovat seokset
3. Korkean entropiaseosten ainutlaatuiset ominaisuudet
Korkean entropian seokset ottavat käyttöön uuden näkökulman seoksen suunnittelussa, joka perustuu konfiguraatio entropiaperiaatteeseen. Verrattuna tavanomaisiin seoksiin, HEA: t ovat ominaisia suunnittelukonsepteja ja ainutlaatuisia ominaisuuksia. Niiden ainutlaatuisuus voidaan ymmärtää seuraavista neljästä näkökohdasta:
(1) Koostumuksen ominaisuudet
HEA: t sisältävät useita pääasiallisia elementtejä kemiallisen häiriön käyttöönottoon, jossa ei ole yhtä hallitsevaa elementtiä. Toisin kuin perinteiset seokset, joilla on tyypillisesti ensisijainen peruselementti, HEA: t koostuvat useista tärkeimmistä seostuselementeistä. HEA: n koostumuksen suunnittelun keskeisiä ominaisuuksia ovat:
1.Häymeyksen on sisällettävä vähintään viisi eri elementtiä.
2.Tatoprosentin jokaisesta elementille on oltava välillä 5% - 35%.
(2) kehitysominaisuudet
Tutkimuksen edetessä korkean entropian seosten käsite on kehittynyt kolmen päävaiheessa:
Ensimmäisen sukupolven Heas:
Koostuu viidestä tai useammasta seostuselementtiä.
Elementit ovat tasa -arvoisia (yhtä suuret atomisuhteet).
Rakenne: Yhden vaiheen kompleksi kiinteä liuosseos.
Toisen sukupolven heat:
Koostuu neljästä tai useammasta seostuselementtiä.
Ei-tasa-arvoiset elementtisuhteet.
Rakenne: Kaksifaasi- tai monifaasikompleksin kiinteä liuosseos.
Kolmannen sukupolven HEA: t:
Laajennettu korkean entropian ohuiksi kalvoiksi ja keramiikkaan.
(3) rakenteelliset ominaisuudet
Useiden alkuainekomponenteista huolimatta korkean entropian seokset muodostavat tyypillisesti suhteellisen yksinkertaisia faasirakenteita kiinteytymisen yhteydessä. Satunnaisesti liuennut kiinteä liuos on HEA: ien ominainen rakenne, joka usein on:
Kasvokeskeiset kuutiometrin (FCC) rakenteet
Kehonkeskeiset kuutiometrin (BCC) rakenteet
Kuusikulmaiset läheiset pakatut (HCP) rakenteet
Lisäksi amorfiset vaiheet voivat muodostua myös joissakin HEA: ssa.
Johtopäätös
Korkean entropian seokset edustavat vallankumouksellista etenemistä seostimateriaalien alalla. Niiden ainutlaatuinen koostumus, uusi suunnittelutapa ja lupaavat ominaisuudet tekevät niistä erittäin arvokkaita seuraavan sukupolven rakenteellisille ja toiminnallisille materiaaleille. Jatkuvan tutkimuksen avulla HEA: ien odotetaan olevan kriittinen rooli sovelluksissa, jotka vaihtelevat ilmailu- ja autoteollisuudesta energiaan, elektroniikkaan ja biolääketieteellisiin aloihin.
Kuvio 1 Korkean entropiaseoksen vaihesarakenne
(4) Vahvistetut suorituskykyominaisuudet
Tutkimukset ovat osoittaneet, että korkean entropiaseoksilla (HEA: t) on lukuisia parempia ominaisuuksia verrattuna perinteisiin seoksiin. Tällä hetkellä HEA: n viisi suurta suorituskykyvaikutusta on tieteellisesti vahvistettu:
1. pienen pinoamisvirheenergia
2.Tämäinen vakaus
3.Aradoituksen kestävyys
4.Corrosion -vastus
5. Suorituskyvyn kompromissivaikutuksen merkitseminen
4. Käytännön sovellukset: Missä korkean entropian seokset loistavat
Korkean entropiaseosten ainutlaatuiset suunnitteluperiaatteet antavat heille erilaisia erinomaisia ominaisuuksia, mukaan lukien erinomainen matalan lämpötilan mekaaninen suorituskyky, korroosio ja kulumisvastus, korkean lämpötilan stabiilisuus ja poikkeukselliset pehmeät magneettiset ominaisuudet. Nämä edut antavat Heasille valtavan potentiaalin tekniikan sovelluksissa. Tutkitaan joitain avainkenttiä, joissa korkean entropian seokset osoittavat niiden merkittävät kykynsä.
(1) korkean entropian pehmeät magneettiset materiaalit
Pehmeät magneettiset materiaalit on karakterisoitu saavuttamalla maksimaalinen magnetointi minimaalisilla ulkoisilla magneettikentällä. Niitä on helppo magnetoida ja demagnetoida, joten niitä käytetään laajasti sähkö- ja elektronisiin laitteisiin.
Tutkimukset ovat osoittaneet, että tietyillä korkean entropiaseosjärjestelmillä on erinomaiset pehmeät magneettiset ominaisuudet. Lisäksi ne auttavat voittamaan tavanomaisten pehmeiden magneettisten materiaalien, kuten huonojen mekaanisten ominaisuuksien ja epävakaan valun suorituskyvyn puutteet. Seurauksena on, että Heasilla on suuri potentiaali sovelluksille sähkömoottoreissa, muuntajissa ja muissa teollisuussektoreissa.
(2) Korkean lämpötilan seosmateriaalit
Korkean lämpötilan seokset ovat metallimateriaaleja, jotka voivat toimia korkeissa lämpötiloissa ja erityisissä stressi-olosuhteissa pitkään. Nämä seokset vaativat:
Poikkeuksellinen korkean lämpötilan lujuus
Erinomainen hapettuminen ja lämpökarroosionkestävyys
Hyvä väsymiskestävyys ja murtolujuus
Ne ovat välttämättömiä moottorin kuumapään komponenteille. Tutkimukset osoittavat, että korkean entropian seokset osoittavat huomattavaa lämpöstabiilisuutta ja hapettumiskestävyyttä kohonneissa lämpötiloissa. Tämä läpimurto tarjoaa uusia mahdollisuuksia kehittää komponentteja, jotka toimivat äärimmäisissä ympäristöissä, kuten:
Moottorin turbiiniterät
Korkean lämpötilan tekniikan materiaalit
(3) Kova työkalupinnoitteet
Kova työkalupinnoitteet sisältävät korkean kovan, kulutuskestävän seoksen ohuen kerroksen keräämisen leikkaustyökalujen pinnoille kääntämisen, jyrsinnän, höyläys- ja hiomatyökalujen suojaamiseksi. HEA: n korkea kovuus ja vahvuus tekevät heistä ihanteellisia ehdokkaita tällaisiin pinnoitteisiin, parantaen tehokkaasti työkalujen suorituskykyä ja pitkäikäisyyttä.
(4) korkean entropian fototermisten muuntamismateriaalien
Fototermisellä muuntamisella tarkoitetaan auringonsäteilyenergian keskittymisprosessia heijastuksen, imeytymisen tai muiden mekanismien avulla riittävän korkeiden lämpötilojen saavuttamiseksi ja erilaisten energiantarpeiden täyttämiseksi.
Valotermisten materiaalien ankarien huoltoolosuhteiden vuoksi niiden on oltava:
Erinomainen korkean lämpötilan vakaus
Ylivoimainen korroosionkestävyys
Matala lämmön laajennuskerroin
Vahva säänkestävyys
Tutkimukset ovat osoittaneet, että korkean entropian seosten ohutkalvoilla on erinomainen korroosionkestävyys ja korkean lämpötilan vakaus, mikä tekee niistä erittäin lupaavia fototermisen muuntamistehokkuuden parantamiseksi ja aurinkoenergian sovellusten edistämiseksi.
Kuva 2: Lämmön keräysputki fototermisestä muunnosta
(5) Kevyt korkea entropiaseosmateriaalit
Kevyt on tärkeä suunta tulevien materiaalien kehittämiselle. Viime vuosina korkeita entropiaseoksia on myös tutkittu kevyiden materiaalien suhteen, ja ne ovat alkaneet kaupallista. Yleisiä esimerkkejä ovat matkapuhelinkotelot, matkapuhelinkorttipaikat ja muut tarkkuusosat.
Kuva 3 Matkapuhelinkotelon leimaaminen
(6) muut sovellukset
Korkean entropian seoksissa on myös suuri potentiaali useilla muilla aloilla, mukaan lukien:
Korkean entropian hitsausmateriaalit
Matala aktivointi korkean entropian seokset
Muotimateriaalit
Katalyyttiset materiaalit
Puolijohde diffuusioestekerrokset
5. Korkean entropiaseosten tulevaisuus
Kuinka korkean entropian seoksia (HEA) voidaan kehittää edelleen? Tämä kysymys on ensisijainen huolenaihe tutkijoille, kun edistetään uutta materiaaliluokkaa. Oikean tutkimussuunnan valitseminen on välttämätöntä maksimaalisen edistymisen saavuttamiseksi pienellä ponnistelulla, mikä mahdollistaa HEA: n merkittävän roolin jokapäiväisessä elämässä ja kansallisissa puolustussovelluksissa.
Näyttäen eteenpäin on kaksi keskeistä kehityssuuntaa, jotka ansaitsevat eniten huomiota:
(1) Kustannustehokkaimman suorituskyvyn alueen tunnistaminen
Perinteisistä seoksista korkean entropian seoksiin, materiaalit ovat kehittyneet lisääntyvän entropian suuntauksen mukaan. Kokeelliset tulokset osoittavat kuitenkin, että entropian ja materiaalin suorituskyvyn välinen suhde on epälineaarinen. Yksinkertaisesti sanottuna, korkeampi sekoitus entropia ei välttämättä johda parempaan seoksen suorituskykyyn.
Sokeasti korkeamman entropian harjoittaminen ei takaa materiaaliominaisuuksien rajoittamatonta optimointia. Lisäksi entropian lisääntyessä, samoin kuin ainesosien lukumäärä, joka nostaa seoksen tuotantokustannuksia suoraan. Tämä tarkoittaa, että pelkästään korkeaan entropiaan keskittyminen voi johtaa vähentymiseen, missä kustannusten nousu on suurempi kuin suorituskyky edut-skenaario "sekä sijoituksen että lopputuloksen menettäminen".
Tilastollisten analyysien mukaan kustannustehokkain alue ei ole korkean entropian seosdomeenissa, vaan pikemminkin väliaikaisen entropiaseosten ja korkean entropiaseosten välisellä rajalla. Tämä alue sisältää materiaaleja, kuten:
Korkean lämpötilan seokset
Amorfiset seokset
Ruostumattomat teräkset
Keski-entropiaseokset
Nämä materiaalit tarjoavat paremman tasapainon kustannusten ja suorituskyvyn välillä, mikä tekee tästä siirtymäkauden alueesta kriittisen alueen tulevaisuuden materiaalien kehittämiselle.
Kuva 4 "Kustannustehokkuus" seosmateriaaleista
(2) korkean tehokkuuden materiaalitutkimusmenetelmien kehittäminen
Korkean entropian seoksissa (HEA: t) on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, korkean lämpötilan vastus, kulutuskestävyys ja korroosionkestävyys, mikä tekee niistä erittäin lupaavia eri aloilla. Korkean entropian seosten ohutkalvojen tutkimus on kuitenkin vielä varhaisessa vaiheessa, ja niiden teollisuussovellus on edelleen keskeneräinen työ. Perinteisiin seoksiin verrattuna HEA: lla on monimutkaisia koostumuksia, ja niiden ominaisuudet eivät noudata lineaarista suhdetta entropiaan. Seurauksena on mahdotonta suunnitella korkean suorituskyvyn monikomponenttia materiaaleja, jotka perustuvat pelkästään entropian sekoittamiseen.
Materiaalisuunnittelu ja kehitys on aikaa vievä prosessi, joten tutkimustehokkuuden parantaminen on avaintekijä HEA: n etenemisen nopeuttamisessa.
Korkean suorituskyvyn tekniikan rooli
Tässä yhteydessä korkean suorituskyvyn (HT) tekniikan käyttöönotto on välttämätöntä. Mutta mikä tarkalleen on korkean suorituskyvyn tekniikka, ja miten se voi nopeuttaa materiaalin kehitystä?
Jos verrataan seosmateriaaleja valtamereen ja uusien seosjärjestelmien kehittämistä kalastukseen, perinteiset valmistusmenetelmät ovat kuin sauvan kalastus, jossa tutkijat voivat saada vain yhden seosjärjestelmän kerrallaan. Tämä "yhden ajan" lähestymistapa hidastaa merkittävästi materiaalitutkimusta.
Kuvittele nyt, jos tutkijat voisivat heittää verkkoa kalastustangon käytön sijasta, jolloin he voivat kaapata useita seosjärjestelmiä yhdellä yrityksellä. Tämä lähestymistapa parantaisi huomattavasti tutkimuksen tehokkuutta. Korkean suorituskyvyn tekniikka noudattaa samanlaista periaatetta, mikä mahdollistaa useiden seosjärjestelmien rinnakkaisvalmistuksen kerralla, mikä nopeuttaa dramaattisesti HEA: ien kehitystä.
Kirkas tulevaisuus korkean entropian seoksille
Heas on nopeassa kasvuvaiheessa, ja Kiina on noussut suureksi voimana globaalissa tutkimuksessa. Nykyään Materials Science -kentän nousevana tähdellä HEA: t herättävät edelleen tutkijoiden huomion ympäri maailmaa.
Vaikka monet haasteet ovat edelleen, he eivät ole estäneet tutkijoita eteenpäin. Uutena raja -aineseosmateriaalien rajalla Heasilla on valtava potentiaali ja lupaus tulevaisuudelle. Heidän mysteerinsä odottavat purkautumista, ja heidän mahdollisuudet ovat rajattomia-oletko valmis tutkimaan heidän tuntemattomia loistojaan?