高熵合金的类晶体物性研究

The discovery of high-entropy alloys stimulated the development and application of multi-principal-element alloys design. The lattice structure of high-entropy alloys can be appropriately described through the paracrystalline theory in three-dimensional space. The exceptional properties of high-entropy alloys are closely related with their paracrystalline lattice structure. It is expected that high-entropy alloys will act as the indispensable role for the cutting-edge technologies in many fields both for military and civilization industries, and thus are highly valued by the national defense and energy departments in American and European countries. This National Natural Science Foundation project will focused on a comprehensive investigation for the relationship between the unique lattice structure and the mechanical property of high-entropy alloys. The contents of our research plan include: accurate atomic structure determinations for the common lattice defects (point defects, dislocations) in high-entropy alloys, the temperature-dependent mechanism of particles diffusion in 3D paracrystals, and the dislocation dynamics under strain in the paracrystalline phases of high-entropy alloys. The answer of these questions is essential and critical both for the R & D of the high-performance high-entropy alloys and the theoretical development of the 3D paracrystalline theory.

高熵合金的发现导致了一种颠覆性的多主元合金设计新思想的诞生。高熵合金的晶格结构可以采用三维类晶体理论描述。该合金的高强度、高硬度、抗氧化、耐磨损和在宽广温度区间内结构与力学性质的稳定性等突出物理和化学性质无一不与其类晶体原子结构密切相关。高熵合金材料有望在关系到国计民生的尖端前沿技术领域起到关键作用，因而正在受到欧美发达国家国防和能源部门的高度重视。本项目以彻底理解高熵合金的结构与其独特物性之间的关系为目的，拟对高熵合金类晶体结构中的晶格缺陷及其对力学性质影响的问题进行综合研究。研究内容包括：类晶体中晶格缺陷（间隙原子、空位、位错）准确原子构型的确定、有限温度下粒子在三维类晶体中的扩散机理和类晶体中的位错在外力作用下的动力学行为等问题。该项研究对于澄清高熵合金材料中的粒子扩散和位错运动规律以促进三维类晶体理论的发展完善至关重要，对于指导高性能高熵合金的研发与应用将提供不可或缺的理论依据。

高熵合金是由五种以上元素均匀混合形成的单一相固溶体合金，可归类于更广义的单相浓缩固溶体材料。高熵合金的发现导致了一种颠覆性的多主元合金设计新理念的诞生。高熵合金的晶格结构可以由三维类晶体理论描述。该合金的高强度、高硬度、抗氧化、耐磨损和宽广温度区间内结构与力学性质的稳定性等突出物理化学性质无一不与其类晶体原子结构密切相关。高熵合金材料有望在关系到国计民生的尖端前沿技术领域起到关键作用，因而获得了欧美发达国家国防和科技部门的高度关注。本项目的主要研究内容包括：探寻高熵合金类晶体原子结构与其物性之间的本质关系，计算研究典型高熵合金中的粒子扩散行为，探究类晶体材料中的位错演化规律。在项目实施过程中取得了如下主要研究成果：(1)成功实现了全部已知体心立方、面心立方、和六角高熵合金弹性力学参数的高精度第一原理计算研究，分析了这些力学参数与其类晶体结构构型的密切相关性。(2) 采用MaxEnt算法和SQS准随机结构方法创建了准确描述磁性高熵合金材料局部短程有序的原子结构模型，澄清了磁性高熵合金中偏离理想类晶体构型的短程有序行为对其力学和磁学性质影响的规律。（3）采用第一原理计算和分子动力学模拟相结合的方法详细研究了在核辐照条件下二元和三元单相浓缩固溶体合金中的点缺陷和点缺陷团簇的形成与迁移扩散规律。发现了随组元成分的变化这些合金中的间隙原子由一维长程快速迁移到一维和三维迁移混合模式，再到慢速短程三维迁移模式转变的粒子扩散规律；该发现为高熵合金中存在的缓慢扩散效应提供了理论解释。（4）通过分子静力学和分子动力学模拟方法研究了高熵合金和一般单相浓缩固溶体合金中位错结构形态与动力学行为。结果表明这类材料中的位错线平滑度较差因而极大地增加了位错运动的阻力，由此部分地解释了高熵合金具有高强度和高硬度的原因。(5)澄清了熵因素在高熵合金中作用的问题。 (6)实现了一种新型难熔金属高熵合金组元成分的优化计算。