胡良兵Nature時隔一月又發Science封面:合成八種元素的高熵合金

2021-01-21 材料人


Mike Morgan for the University of Maryland



多金屬納米粒子（NMNPs）有著廣泛的應用領域，包括催化，能量儲存和生物/等離子體激元成像。將多種金屬元素合金合成單個納米級產品提供了可能會超過單一元素（或一元）納米粒子材料性能的前景。製備NMNPs的當前和主要途徑來自溼化學合成，可以獲得各種粒度，形狀和相。然而，大多數通過溼化學方法的研究報告中合金組成不超過三種元素，這限制了組成空間。此外，更多的合成技術，包括基於印刷和光刻的方法，已經將組元向四元甚至五元納米結構轉移。



北京時間2018年3月30日，Science在線發表馬裡蘭大學胡良兵、伊利諾伊大學芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar,、約翰霍普金斯大學Chao Wang、麻省理工大學Ju Li（共同通訊）等人題為「Carbothermal shock synthesis ofhigh-entropy-alloy nanoparticles」的封面文章。該研究通過熱衝擊負載在碳載體上的前體金屬鹽混合物[溫度〜2000K，55毫秒的持續時間，〜105K每秒的速率]。提出了通過將八種不同元素合金化成單相固溶體納米顆粒（通常稱為高熵合金納米顆粒（HEA-NP）。通過控制碳熱激發（CTS）參數（底物，溫度，衝擊持續時間和加熱/冷卻速率）來合成具有期望的化學（組成），尺寸和相（固溶體，相分離）的寬範圍的多組分納米顆粒。為了證明實用性，實驗人員合成了五元HEA-NPs作為氨氧化催化劑，其具有〜100％轉化率和> 99％的氮氧化物選擇性。本文第一作者是姚永剛，同期印第安納大學布盧明頓分校Sara E. Skrabalak做了題為「Mashing up metals with carbothermal shock」的perspective，Science也作為this week in science重點報導。



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    文獻連結：Monolayer atomic crystal molecular superlattices（Nature, 2018, DOI:10.1038/nature25774） 　　材料牛資訊詳戳：段鑲鋒攜手湖南大學再發Nature：單層原子晶體分子超晶格 　　2
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    美東時間3月29日下午，美國Science雜誌刊登題為Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles的封面文章，報導馬裡蘭大學胡良兵教授、麻省理工學院李巨教授、和約翰霍普金斯大學王超教授關於高熵合金納米顆粒的最新研究成果。
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    高熵合金（HEA）最初是作為多個主要元素以相等或接近相等的原子比的濃縮固溶體開發的，在過去的十年中，它逐漸引起人們的關注。近日，浙江大學、韓國首爾大學、澳大利亞新南威爾斯大學與美國加州大學合作的一項最新研究表明，高熵合金應變硬化是由於三維錯層錯網絡的形成而造成的，它阻礙了位錯運動並進一步為hcp的形成提供了優選的位置。通過TRIP效應進入相位，發生局部化學成分的變化加劇的現象，為高熵合金的力學行為研究提供了理論基礎。
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    導讀：由於組成元素的熱力學不混溶性，難以獲得均勻合金雙金屬化合物。本文以非平衡得平衡，巧妙地通過一種非平衡合成策略，克服了雙金屬材料的不混溶性，能夠獲得一系列通過傳統方法不能合成的新型雙金屬材料。雙金屬化合物是一種重要的金屬材料，其化學性質與單一的金屬化合物不同。
  • 高熵合金的納米力學與納米結構的高熵合金:閒聊那些年寫過的文章
    高熵合金（High-entropy alloys）簡稱HEAs，是由五種或五種以上等量或大約等量金屬形成的合金。以往的合金中主要的金屬成分可能只有一至兩種。例如會以鐵為基礎，再加入一些微量的元素來提升其特性，因此所得的就是以鐵為主的合金，比如鋼。但是高熵合金中所有組元的元素都接近於等比例，比如A、B、C、D、E五重元素都接近20%的比例混合。
  • 高熵合金
    高熵合金具有單一的晶體結構。大量的試驗證實，高熵合金可以形成單一的體心立方或面心立方結構相或者體心立方面心立方簡單的混合相結構。高熵合金在鑄態和完全回火態會析出納米相結構甚至非晶質結構。當高熵合金熔化時，所含元素原子混亂排列，在冷卻凝固過程中，因涉及各主元素眾多原子的擴散再分配，將阻礙晶體的形核和生長，因此，有利於納米相的形成。
  • 綜述| 高熵合金的基礎理論研究成果及應用
    1 高熵合金的定義 　　高熵合金的全稱是多主元高混亂度合金， 它至少由5 種（一般不會超過13 種）主要元素（金屬或金屬與非金屬）組成，每種主要元素的原子分數要大於5%且不能超過35%。因此這種合金的性能取決於這些主要元素所組成的基體性能。
  • 一文讀懂高熵合金
    HEA，是由5種或5種以上主要元素構成的，且每種主要元素的原子分數＞5%並＜35%。由於高熵合金可能具有許多理想的性質，因此在材料科學及工程上相當受到重視。過往的概念中，若合金中加的金屬種類越多，會使其材質脆化，但高熵合金和以往的合金不同，有多種金屬卻不會脆化。
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    導讀3月21日，《Nature》在其Spotlight欄目報導了北京理工大學材料科學與工程學科，並對北理工在高熵合金為代表的毀傷與防護、含能、納米新能源、二次電池、阻燃等領域的研究進展進行了介紹。高熵合金研究進展：致力於開發高密度、超高強度和延展性的高熵合金，王富恥教授領導的北理工衝擊環境材料技術國防重點實驗室，設計了一種具有新的強化機制的納米結構，在保持延展性的同時提高合金強度。多元合金具有更強的耐蝕性和抗氧化性，是一種理想的防護塗層材料。
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    導讀：刃型位錯被認為是BCC難熔高熵合金的主要位錯類型，與傳統的BCC合金不同。BCC結構NbTaTiV難熔高熵合金，獨特的彈性和塑性變形行為新發現，可能是導致其整體力學性能優異的主要因素，本研究也為新型多晶材料的開發和生產提供了用於結構材料應用的路線。
  • npj: 生物相容性高熵合金—電子結構和多原子鍵合
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    近日，來自兩岸三地的研究人員設計了一種Co-Cr-Ni基中熵合金，通過引入非均析出相獲得了超高強度和均勻延展性組合（點此查看）。今天發表的Nature在中熵合金領域再次突破，通過實驗直接觀察到了短程有序結構，這種獨特的結構可以起到很好的強化效果，提高合金的層錯能和硬度。
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    高熵合金因具有較高的強度和硬度，優異的耐疲勞和耐磨性能，延性良好等特點而被廣泛關注。近年來，研究者通過調整高熵合金的組成和改變其微觀結構來進一步優化其性能，如添加陶瓷相形成陶瓷顆粒增強高熵合金複合材料。其中，WC具有較高的硬度，一定的塑性和良好的潤溼性，常用作金屬複合材料的硬質相。
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    《Science》May 1 封面圖（來源：官方）鈦媒體5月1日消息，美國馬蘭學帕克分校的科研團隊聯合美國加州學發布最新研究成果，他們利用在惰性氣氛中輻射加熱，採用大數據計算方式，開發了一種超快高溫燒結(UHS)工藝方法，10秒合成，最多需要1分鐘時間加熱，就可輕鬆完成燒結陶瓷過程
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