香港城市大学Advanced Materials综述：利用晶格畸变实现高熵合金的多功能性

自2004年高熵合金（High-entropy alloy, HEA）的概念被提出以来，这种多组元合金因其优异的力学、物理以及电化学性能而受到广泛关注。人们普遍认为，将多种不同尺寸的元素合金化到一个共同的晶格中会导致晶格扭曲，使组成原子偏离其理想位置，从而产生晶格畸变效应。一方面，晶格畸变效应会在HEA中产生高度波动的弹性应力/应变场，这已被证明对位错行为至关重要。另一方面，晶格畸变有助于稳定热力学非平衡态，降低电子和离子等活性物质的能垒。因此，具有畸变晶格的HEA相比传统合金表现出更吸引人的多功能特性，例如超弹性、优异的强度和塑性、出色的热电性能、独特的耐辐照性和优秀的催化效率，从而具有更加灵活的应用场景。例如，新开发的单相B2 (CoNi)₅₀(TiZrHf)₅₀HEA由于严重的晶格畸变而表现出强烈的非磁性Elinvar效应。此外，FCC Cantor合金 (FeCoNiCrMn)还以其在低温下的高断裂韧性和耐辐照性的结合而闻名。

二、成果掠影

香港城市大学杨勇教授团队对表现出严重晶格畸变的多功能HEA进行了系统性综述，涵盖了为理解晶格畸变而开发的理论模型、用于表征晶格畸变的实验和计算方法、晶格畸变对合金性能的影响，以及畸变高熵合金的数据驱动设计。通过这篇综述文章，作者希望能够促进对晶体固体中扭曲晶格的进一步研究。

相关研究工作以“Multifunctional High Entropy Alloy Enabled by Severe Lattice Distortion”为题发表在Advanced materials上。

三、核心创新点

1.从基础的角度对晶格畸变进行了全面讨论，深入探讨了其物理本质以及各种表征手段。

2.重点讨论了晶格畸变对HEA多功能性的影响，包括传输性能、耐辐照性和催化性能。

3.概述了设计具有畸变晶格的HEA的数据驱动方法。

四、数据概览

图1 (a)溶质原子大于溶剂原子的传统固溶体合金，(b)溶质原子小于溶剂原子的传统固溶体合金，以及(c)高熵合金中的局域畸变晶格的示意图。(d)多元合金系统中经历体积变化和形状变化的晶格示意图。

图2 (a)平均“基体”中单一溶质产生的位移场。(b)位置i处原子的位移是由所有周围溶质在该位置产生的位移之和。© 2019 Elsevier. (c)最大原子和(d)最小原子处的立体角示意图。是平均原子半径。© 2014 Elsevier.

图3 具有严重晶格畸变的随机固溶体与含化学短程有序（Chemical short-range ordering, CSRO）的具有较小晶格畸变的固溶体的示意图。

图4 (a)弹性模量与屈服强度的Ashby图。插图是(CoNi)₅₀(TiZrHf)₅₀的应力-应变曲线。(b)(CoNi)_50-x(TiZrHf)₅₀Fe_x(x=0、2、5和10) 合金与其他中熵合金（MEA）和块体金属玻璃（BMG）的弹性模量-温度关系的比较。E₀为室温下的弹性模量。© 2022 Springer Nature. (c)晶格畸变HEA中弹性模量与温度的关系与其他Elinvar合金的对比。© 2023 AIP Publishing.

图5 (a)应变为 0.57% 时微柱中的位错构型。(b)异质应变场下Frank-Read源的位错构型。 红线和蓝线表示长度为1,500和2,000b的FR源，b是Burgers矢量的大小。(c)交滑移和双交滑移过程。(d)由于多次的双交滑移，错位上出现了许多割阶。© 2023 PNAS.

图6 (a)Ni和NiCoFeCrMn辐照后的横截面的TEM图像。蓝色框突出显示了空隙区域。© 2016 Springer Nature. (b)辐照后Ni、NiCo、NiCoCr和NiCoFeCrMn的表面形貌。© 2016 Elsevier.

图7 (a) CoO {111}-Ov表面的氢吸附自由能(ΔG_H*)与拉伸应变。{111}-Ov上的表面氧空位浓度约为11.1%。© 2017 Springer Nature. (b)能量图显示拉伸应变对后过渡金属d带位置的影响。© 2017 Springer Nature. (c)含Pt/Pd HEA的HAADF-STEM图像和对应的应变图。© 2022 Elsevier.

图8 机器学习模型的示意图。© 2023 Elsevier.

五、成果启示

HEA具有复杂的化学成分，从而产生以晶格畸变为特征的独特晶体结构。这种结构特征对HEA的各种物理和力学性能具有深远的影响，包括弹性、屈服强度、应变硬化机制、扩散动力学、导热性、耐辐照性和催化性能。在传统合金中，晶格畸变主要是由溶质原子引起的，从而产生与Eshelby理论一致的明确定义的弹性应变场。然而，在HEA中，晶格畸变表现出高度波动的弹性应变场，这使得利用经典模型来研究结构-性能的相关性具有挑战性。为了应对这一挑战，人们采用了各种原子模拟和最先进的实验方法来表征HEA中的晶格畸变，并从崎岖的势能角度了解它如何影响晶体缺陷（例如位错）的运动。这些研究表明，HEA中严重的晶格畸变可能导致相比于传统合金前所未有的独特的多功能特性。

然而，过度的晶格畸变会导致晶格失稳，引发相变甚至非晶化。此外，晶格畸变也可以与化学有序或CSRO结合起来。在某些HEA中，例如Elinvar合金Co-Ni-Ti-Zr-Hf-Fe，CSRO的形成可以减少晶格畸变，这不利于HEA的超弹性。因此，理解晶格畸变和CSRO之间的相互作用对于推进多功能HEA的开发至关重要。在作者看来，通过晶格畸变设计多功能HEA的关键在于最大化原子尺寸失配，同时确保畸变晶格的稳定性。然而，这两个目标经常发生冲突，需要在设计晶格畸变诱导多功能的HEA时进行权衡。

原文详情：https://doi.org/10.1002/adma.202305453