高熵晶体复杂合金材料结构、热学、电学和力学性能的研究

Recently, high-entropy alloys, having various excellent properties, e.g., high strength, hardness, wear, corrosion, heat and electric resistance, become one of hot research fields in metals. Lattice distortion can directly affect their properties. Until now, no systematical studies on the lattice distortion in high-entropy alloys and its effects on their mechanical, thermal and electrical properties have been reported. This project aims to address four key questions in high-entropy alloys: (1) do atoms really randomly locate on the lattice? If not, how about short-range and medium-range atomic packing? (2) what kind of temperature dependence of the lattice distortion? (3) what kind of stress dependence of the lattice distortion? (4) what are the correlations between lattice structure with their mechanical, thermal and electrical properties. We will apply synchrotron radiation-based XRD and XAFS, and TEM, atomic probe etc. techniques to investigate them. Based on high quality data, we try to solve these four questions, and to develop 1-2 novel high-entropy alloys with excellent mechanical, thermal and electrical properties.

近年来，高熵合金，具有高的强度、硬度、耐磨耐腐蚀性、热阻、电阻等优异性能，是金属材料中最活跃的科学研究领域之一，其点阵畸变影响到其力学、热、电等性能，到目前为止，对点阵畸变问题还一直没有系统地开展过科学研究，四个关键科学问题急需解决1）原子是否随机分布在点阵上？如果不，原子短程、中程有序吗？2）在温度变化时，原子排列结构是如何变化？3）在应力变化时，原子排列结构是如何变化？4）原子排列结构又怎样影响其电、热、力学性能？本项目采用同步辐射X射线吸收精细结构谱和X射线衍射技术，结合透射电镜、原子探针等技术，选择几种典型高熵合金体系，深入系统地研究其晶体结构、元素分布、近邻结构、在不同温度和应力下原子排列结构变化,利用力学测量仪、四极法、激光闪射法、热膨胀仪、差热仪分别测试其力学行为、电阻、导热系数、密度和比热，揭示点阵结构对其热、电、力学性能的影响机理，研制出1-2种新型高熵合金材料。

本项目系统的探索了高熵合金膜材料的研制工艺参数、点阵畸变结构以及性能，在点阵畸变结构研究工作的基础上，利用双相结构成功地设计研制一种宽温度、高强、高塑新型双相高熵合金材料，该新型材料高温和低温性能优异，在已报道的韧性材料中，获得了最高的比屈服强度（~150.2 MPa·cm3/g），揭示了该合金在较宽温度范围内保持这种优异的强度-塑性协同作用的能力机制：孪晶、层错、动态应变时效和动态再结晶。该研究结果为在较宽的使用温度范围内设计具有先进强度-延性组合的沉淀强化轻质高熵合金材料开辟了道路。提出了研制高低温力学性能优异的高熵合金材料一个创新合金设计理念，该成果发表在2021年美国Science子刊上。进一步对高熵合金薄膜材料开展系统的研究，研究不同工艺参数（基底温度、通量、沉积功率）对高熵合金膜材料点阵畸变结构和性能的影响规律，成功地设计研制出性能优异于块体材料的高熵合金膜材料。同时还开展高熵金属液体在柔性可穿戴设备上的应用工作。