什么是高熵合金？

什么是高熵合金？

2024/02/07

高熵合金

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用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是高熵合金？

高熵合金被定义为五种或更多金属高浓度混合物的合金。通过混合多种金属创造出新的功能，有望作为昂贵金属的替代材料。尽管与单一金属相比仍存在成本问题以及寻找熔化温度和成分比例的最佳解决方案，但由于它有潜力取代昂贵的贵金属和资源有限的稀有金属用作催化剂和生物相容性材料，因此引起了人们的关注。

什么是高熵合金

什么是高熵合金

熵，简单来说，是一种“具有不可逆性和无规则性的特殊状态”，或者这里是指“原子和分子的无序状态”。高熵合金的定义是“将五种或五种以上的金属以高浓度混合而形成的固溶体金属”，是指各元素在元素水平上混合，并通过排列各元素而具有高熵的合金在晶格中。

　生产合金需要技术来精细调整金属和元素的混合比例。迄今为止，已经根据用途开发了各种合金并投入实际使用，但在许多情况下，该技术仍然是每个金属制造商的专有技术，或者换句话说，是不向公众公开的“秘密”。

通常，当两种或多种金属熔化并混合形成合金时，如果原子间距离显着不同，则它们不能混合。此外，还会形成被称为“金属间化合物”的物质，这种物质具有金属原子有序排列并牢固结合的结构，导致物质硬而脆，不能用作结构材料。为了避免这种情况，通常将具有相似性能的金属制成合金。

已实际用作结构材料的合金

　不锈钢是铁和铬或镍的混合物，是一种常见的合金，是两种或多种金属的混合物。用于飞机机身的硬铝是铝、铜和镁的合金。黄铜（铜和锌的混合物）和白铜（铜和镍的混合物）用于制造硬币，而焊料（铅和锡的合金）用于连接电子零件和电路。正如您所看到的，我们周围有各种各样的合金。所有这些都是合金实现单一金属无法实现的硬度、耐腐蚀性和柔韧性等功能的实例。

高熵合金的预期作用

　高熵合金的预期用途之一是催化剂和生物相容性材料。铂和钯用于催化剂，金和钛等昂贵​​的贵金属用于医学领域中使用的生物相容性材料，例如牙科材料。钴等稀有金属也用于电子设备和电动汽车电池的正极材料。昂贵的贵金属和稀有金属在全球范围内资源有限，并且始终存在风险，例如根据其生产地区的社会状况，进口可能受到限制。

　高熵合金有望成为这些金属的替代品。收集5种或更多容易获得的金属并将它们等量混合形成合金，并将其用作昂贵的贵金属和稀有金属的替代品。或者，即使使用贵金属，也希望通过使用与其他金属混合的高熵合金，可以用较少的贵金属实现相同的功能。

高熵合金研发现状

　在开发高熵合金时，实现所需的功能非常重要。最大的挑战是确定要混合的金属的比例。由于混合了多种金属，因此功能会根据成分比例而变化。因此，有必要找到实现所需功能的最佳混合比例。另外，如果混合五种或更多金属，五种金属的熔点也会不同。根据熔点最高的金属混合金属，寻找最佳混合比例。如此巨大的工作涉及高熵合金的研究和开发。

　成本方面也存在问题。目前正在研究和开发各种高熵合金，但如果使用昂贵的金属来提供所需的功能，即使开发出高熵合金，它们最终也会成为昂贵的材料。即使您不坚持“5种或更多类型”的定义，如果您可以通过添加少量来制造具有相同功能的合金，您将能够减少昂贵金属的使用量并降低成本。

目前，能够替代现有催化剂材料、电极材料和生物相容性材料中使用的贵金属和稀有金属的高熵合金的研发还存在许多挑战，但未来或许可以减少昂贵的贵金属的使用量，并创造出功能与现有材料相当或更好的高熵合金。

高熵合金研发未来前景

　如此看来，高熵合金的研发目前看来可能面临更多的挑战。除了上述的最佳混合比例和成本问题外，还存在在混合多种金属的过程中生成非预期金属间化合物的问题。另外，原材料的选择也很困难，比如应该将哪五种金属混合在一起形成高熵合金，需要技巧。由于高熵合金生产不受控制，高熵合金真正用作结构材料、催化剂或生物相容性材料还需要一段时间。然而，我们也相信它有潜力创造目前广泛使用的单一金属或合金无法实现的功能。作为一名长期从事材料研究的研究人员，我发现“将事物混合在一起”的想法很有趣。我们希望高熵合金的研究和开发能够取得进展，能够取代现有的物质，创造出前所未有的新材料。