浅谈高熵化合物的性能及应用

贺战文 姚昊宇

摘  要：  本文重點讨论了高熵化合物的特点，研究了高熵金属间化合物的性能及应用。明确了高熵金属化合物材料的未来发展趋势。

关键词：高熵化合物;金属间化合物;

引言

随着航天科技的不断进步，对结构材料的各性能指标要求也不断提高。特别在高温高压等严苛的环境下，高熵材料的热力学更稳定[1]。同时在高温条件下，高熵材料具有更加稳定的力学效应这都是因为高熵金属化合物的原子键合力强、具有比强度和比刚度高、耐腐蚀、耐氧化的优点，使得高熵材料在众多材料中脱颖而出。金属间化合物具备金属的韧性和陶瓷的耐高温性能都得益于金属间化合物晶体中共价键与金属键共同存在的特性。但因为金属间化合物的有序性同时也使其具备一定的脆性，由于现在加工技术的的缺陷以及室温会使金属间化合物的塑性大大降低却也使其已无法得到广泛应用，这一点与传统合金大不相同[2]，但是倘如能用传统加工技术的改进来解决这一缺陷，使金属间化合物的脆性问题得到一定程度的突破和解决，拉近综合性能指标距离实际应用要求的差距，高熵材料应用也将更广泛，也可帮助解决恶劣环境下材料应用问题。

一、高熵金属间化合物的特性

高熵化合物具有高熵效应，拥有更低的吉布斯自由能。组成合金的元素原子可以任意组合;因为合金元素种类众多，原子半径等参数不一致，使得新型合金具有迟滞 扩散效应，在结构稳定性[3]、高温强度等与高熵合金的特点相似;新型合金还具备多主元的鸡尾酒效应，这种效应可以聚集多种优异的性能于一体，使其同时具备高温强度、室温塑性以及良好的抗氧化性能，通常这些特点不会出现在单一相合金中。

高熵金属间化合物的优异性能源于它的强化方式。对于二元的新型合金，它的形成需要两种元素，从理论上讲它们的原子半径差以及价电子数差通常会有较大差异，这种差异会使其原子排列规律畸变[4-6]，另一方面，在同一亚点阵中，占位的元素原子种类很多，使其与位错之间的相互作用变得更加复杂，这样一来新型合金就会比传统意义上有序排列的金属间化合物相具有更强的固溶强化能力，强度显著提高。多种合金化元素共同组成了高熵金属间化合物的亚点阵，因为亚点阵中合金元素的种类以及含量的变化，每个原子附近的电子环境就会变得多样化，这种周围电子环境的变化会使得合金整体电子结构的复和高熵合金类相似，高熵金属间化合物也可能相同的特性，例如热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应以及性能上的鸡尾酒效应。在电子结构上也具有多样化效应。高熵金属间化合物的子晶格具有很多的主元素，因为构成元素的种类和含量不一样，各主元素的电子环境也有很大的不同，所以，其键合类型远远多于传统的固溶体合金和金属间化合物。传统的固溶体合金中仅仅有不定向的金属，在金属间化合物中由于原子间元素类别少之又少，因此它所拥有的键种的类别也十分少。

二、高熵化合物的应用

因为高熵化合物在高温下拥有极其稳固的力学性能和较为稳定的热力学优势，将熵不变性概念应用于超高温陶瓷，专门研究了性能较好的高熵氧化物、碳化物和硼化物[7-10]。

VC、NbC、TiC等能够在温度较低的环境条件下烧结形成单相，但要求过渡金属碳化物中的金属阳离子能够任意更换却不毁坏原来具有的对称性。但是当组元中具备 WC、Mo2C 两个六方相化合物的时候，过渡金属化合物是不具有能够产生单相的高熵化合物的条件。利用非化学计量比TiN0.3制备出七元TiN0.3/VC/NbC/TiC/TaC/Mo2C/WC 的单相固溶体，体现出很好的力学、热学和电学性能。采用 TiN0.3 中浓度比较高的 N 原子空位来大大缩短材料的烧结温度，加入的VC、NbC和TaC等一系列难熔金属碳化物，在温度比较低的环境条件条件下可以制备单相固溶体。将非化学计量比的TiN0.3作为高熵化合物的一组元，利用N空位扩充扩散的驱动力，加入VC、NbC、TiC、TaC 可制备单相的高熵化合物因而可以与ZrB2一起进行烧结。

三、结语

本文主要研究高熵化合物以及高熵金属间化合物的特性及用途，得出了以下结论：

1.高熵化合物在高温下拥有极其稳固的力学性能和较为稳定的热力学优势。

从动力学角度来看高熵化合物具有迟滞、扩散效应可以使得新型合金生成多种亚稳相。

2.高熵化合物熵不变性概念应用于超高温陶瓷，获得了机能较好的高熵氧化物、碳化物和硼化物。

参考文献

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【9】杨秉凡. L12/B2 型高熵金属间化合物的显微组织及力学性能研究[M]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学材料加工工程学科硕士学位论文，2019.

【10】刘军琪.L12 型高熵金属间化合物成分优化及组织性能[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文，2020.

【11】张莹莹.高熵化合物与硼化物复合烧结及微观组织与性能研究[M].燕山大學：燕山大学材料物理与化学硕士学位论文，2019.

基金项目：武汉轻工大学校立科研项目;项目名称：过渡金属共价键化合物的合金化研究（2021Y24）

作者简介：贺战文，（1978.12-），男，汉，陕西咸阳人，博士，武汉轻工大学副教授，研究方向：材料成型及制备;