高熵金屬玻璃
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-30
高熵金屬玻璃的實例教程
本工作采用簡便、可大規模生產的單輥甩帶法(百萬噸級)制備了高熵金屬玻璃合金催化劑（原子成分為PdPtCuNiP）用于在堿性和酸性條件下電化學析氫行為研究。此合金作為電解水催化劑，在催化效率和穩定性方面均表現出良好的催化性能。實驗表明，通過一步脫合金的方法形成的納米海綿狀多孔形貌，同時伴有納米晶形成并富集在孔周圍，極大地提高了電化學活性位點。此外，通過DFT計算證實，脫合金誘導在表面自發形成的納米晶同時在水分子分解和H*的吸附/解吸過程中可有效降低其能量勢壘。本研究為設計高效、穩定的電解水合金催化劑提供了直接的實驗理論依據，更重要的是為設計亞穩態金屬合金催化劑在能源催化領域的廣泛應用提供了新的思路。
【作者簡介】
賈喆博士（第一作者）：現任澳大利亞新南威爾士大學博士后研究員（UNSW Faculty Supported Postdoc Fellow）。2017年10月博士畢業于澳大利亞埃迪斯科文大學（ECU）工程學院，師從張來昌（Lai-Chang Zhang）教授。2017年11月入職香港城市大學(CityU)呂堅(Jian Lu)院士課題組擔任高級副研究員。2019年9月入職新南威爾士大學(UNSW)，合作導師Prof. Jay Kruzic。澳大利亞工程協會會員。主要從事亞穩態金屬合金材料等先進金屬材料的設計與研發，包括金屬玻璃、納米晶合金、高熵合金、高熵金屬玻璃、金屬間化合物等，在電解水制氫和環境水處理中的應用。長期致力于在原子尺度上調控結構、成分及原子構型進而優化此類合金材料的電子結構以達到其在能源和環境中的有效合理利用。研究方向涉及金屬材料、冶金物理、合金設計、化學、電化學等交叉學科。
展開 多主元素合金或高熵合金(HEAs)的出現，打破了傳統的冶金發展戰略，并顯示出開發先進結構和功能材料的巨大潛力。由于各組分的濃度均為等摩爾濃度，由于高構型熵、大晶格畸變、緩慢擴散以及雞尾酒效應的影響，HEAs具有獨特的物理和力學性能。“高熵金屬玻璃”(HEMGs)繼承了MGs和HEAs的獨特性能，具有高熱穩定性、低結晶動力學和優越的磁性，體現了“多而不同”的主題。然而，對HEAs的核心臨界行為，特別是緩慢擴散對HEMGs熱力學和動力學性質的影響尚未進行系統的研究。
在此，研究者利用等效取代元策略設計了La(Ce)基、Pd(Pt)基和Ti(Zr)基MGs和HEMGs作為模型系統，研究了高熵對非晶合金結構和動力學的影響。研究者發現HEMGs呈現出一種抑制的動態玻璃化轉變現象，即中等量熱Tg的HEMGs代表最高的Tα和α-弛豫的活化能。這些從熱和力學測量的解耦的玻璃化轉變，揭示了高構型熵對過冷液體和金屬玻璃的結構和動力學的影響，這與緩慢的擴散和高混合熵降低的動態和空間不均質有關。
圖1 熵、量熱和動力學行為的混合。
圖2 La(Ce)NiAl體系的脆性和粘度行為的研究。
圖3 La(Ce)NiAl體系的原子結構和相應的元素分布。
圖4 La(Ce)NiAl體系的結晶行為。
圖5 La(Ce)NiAl體系的β-弛豫、α-弛豫、玻璃化轉變和結晶的活化能。
圖6 MGs的結構和能源輪廓示意圖。
綜上所述，該研究結果對理解熵效應對金屬玻璃結構和性能的影響，以及設計具有豐富物理和力學性能的新材料具有重要意義。（文：水生）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 然而，目前最先進的高性能電催化劑都是以結合貴金屬為載體的碳載體為基礎的，其復雜的加工方法是阻礙其商業化的主要原因。
來自新南威爾士大學Jamie J. Kruzic，哈爾濱工業大學孫李剛，香港城市大學呂堅團隊等單位的研究人員，受高熵合金概念的啟發，利用其固有的多重性，并利用其化學均勻性和可調性的玻璃合金設計，提出了一種可縮放的策略，在堿性和酸性條件下將四種等原子元素PdPtCuNiP合金化成高熵金屬玻璃(HEMG)。HEMG的表面去合金化形成了具有納米孔和嵌入納米晶體的納米巨型結構，提供了豐富的活性中心來實現優異的HER活性。當電流密度為10 mA cm?2時，在1.0M KOH和0.5M H2SO4溶液中的過電位分別為32 mV和62 mV，性能優于現有的大多數電催化劑。密度泛函理論表明，晶格畸變和納米晶體的化學復雜性導致電子結構上有很強的協同效應，從而進一步穩定了氫質子的吸附/脫附。這種HEMG策略為設計用于電化學反應的成分復雜的合金建立了一個新的范例。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202101586
在這項工作中，高熵合金的概念被引入到金屬玻璃催化劑中，以獲得原子水平上均勻分布的元素，這些元素可以部分脫離合金，從而實現對表面層的無與倫比的納米結構控制。利用這一新策略，本文成功地研制出一種等原子組成、納米結構可調的柔性獨立式HEMG條帶，可直接用作電化學HER中高效、可靠的電極。
展開 圖3 多個不同取向的晶粒的位錯結構
本文揭示的CoCrFeMnNi 高熵合金在低周疲勞下的變形機理，同樣適用于具有同等層錯能（Stacking Fault Energy）的其他FCC高熵合金。同時本文對比了該合金和316L奧氏體鋼的循環變形響應，解釋了高熵合金潛在的獨特疲勞性能的來源，為將來高抗疲勞性能的高熵合金設計提供了支持。
另外，該研究人員還對比研究了CoCrFeMnNi 高熵合金和CoCrNi中熵合金，相關成果以題目‘Superior low-cycle fatigue properties of CoCrNi compared to CoCrFeMnNi’發表在《Scripta Materialia》上。研究發現CoCrNi具有更好的疲勞性能，并將這種性能歸因于CoCrNi較低的層錯能。相較于CoCrFeMnNi中位錯的交滑移運動引起的墻和胞結構，CoCrNi的低層錯能促進了位錯的平面運動，使得塑性變形更加均勻，進而提高了疲勞性能。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113667
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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實用！
展開 Liaw、馬秀良
通訊單位： 中國科學院金屬研究所
DOI: 10.1016/j.jmst.2020.04.073
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共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1可以實現強度和塑性的優良匹配且兼具共晶合金優異的鑄造、成型性能，因而成為高熵合金中的熱門研究體系。合金中大量存在的兩相界面必然對合金的塑性變形行為產生至關重要的作用，而合金的兩相界面特性及其對合金塑性變形的影響及作用機制尚未得到充分認識。本文精細解析了合金兩相界面的取向關系、界面結構，揭示了變形過程中兩相的變形機制，并發現一方面合金中界面可以通過阻礙位錯運動來強化合金，為合金提供足夠強度，另一方面其界面原子尺度結構特征及界面兩側兩相的滑移體系對稱性有利于合金中部分位錯穿越界面實現滑移傳遞，使合金具有良好的塑性。
背景介紹
高熵合金因其成分的多組元特性展現出很多獨特的性能，例如優異的斷裂韌性、疲勞性能、抗腐蝕和抗輻照性能，其作為最有潛力的新一代結構材料得到科研人員的廣泛關注。
高熵合金的晶體結構常表現為單相面心立方（FCC）結構或單相體心立方（BCC）結構。一般而言，單相FCC結構的高熵合金塑性好但強度低，而單相BCC結構的高熵合金強度高但延展性差，因此單相固溶體高熵合金很難平衡強度與塑性。
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Kruzic，哈爾濱工業大學孫李剛，香港城市大學呂堅團隊等單位的研究人員，受高熵合金概念的啟發，利用其固有的多重性，并利用其化學均勻性和可調性的玻璃合金設計，提出了一種可縮放的策略，在堿性和酸性條件下將四種等原子元素PdPtCuNiP合金化成高熵金屬玻璃(HEMG)。HEMG的表面去合金化形成了具有納米孔和嵌入納米晶體的納米巨型結構，提供了豐富的活性中心來實現優異的HER活性。
在此，來自日本東北大學的Hidemi Kato & 美國約翰霍普金斯大學的Mingwei Chen等研究者，探索了三個典型的高熵金屬玻璃(HEMGs)系統的量熱和動態玻璃躍遷之間的關系。
在低周疲勞加載下，等原子面心立方 (FCC) CoCrFeMnNi 高熵合金的塑性變形由位錯結構（如位錯墻，位錯胞）的形成而累積，進而導致裂紋萌生。雖然已有文章報道過這些位錯結構，但關于它們的形成機制還存在爭議。此外，應變幅度、循環加載次數和晶粒取向對位錯結構的影響還未見報道
主要的研究對象包括各類結構及功能納米材料如孿晶金屬、超納/納米雙相金屬、金屬玻璃、高熵合金以及碳納米材料等。
論文信息
第一作者： 熊婷
通訊作者： 鄭士建、張瑞豐、Peter K. Liaw、馬秀良
通訊單位： 中國科學院金屬研究所
DOI: 10.1016/j.jmst.2020.04.073
