中国又搞妖术了：用镓合成高熵合金

晨枫

) c1 e. l, V' F9 c7 {高熵合金（High Entropy Alloy，HEA）是由至少5种金属元素构成的合金，每一元素的原子分数需要大于5%，小于35%。

合金可以获得比纯金属更好的性质，高熵合金具有普通合金都达不到的优良性能，比如超高强度，但不脆化。
7 ?  ?2 c0 G5 x9 e/ P' f( ~
7 i- v7 S/ i+ n; b$ G8 Z
* w7 E( V( F$ ~' P0 S4 o  J/ X金属材料的发展历史，纵坐标为熵值


" C; P3 U( M; A6 W. q6 E. `
1 o  G) a: l& H! \: v, C) p普通金属为有序结构，高熵合金为无序结构。玻璃、陶瓷就是无序结构，硬度高，耐热，但脆性太大。高熵合金则保持了优良特性：低温下塑性好，不容易因温度过低而脆裂；高温下强度高，依然具有较高的机械强度。但高熵合金不能简单地把多种金属元素熔化混合到一起，然后缓慢冷却，必须快速冷却才能实现高熵，将液态金属原子的随机排列固化下来，否则原子会重新排列整齐，凝固成普通合金。
$ S2 U0 A$ y/ k. E' T
不知道这么解释对不对：有序结构很规整，好比堆叠整齐的砖墙，相对容易发生位错运动和晶面滑动。高温下原子间距加大，更加容易发生位错和滑动。无序结构就“乱七八糟”的，砖石之间互相“咬住”，想滑动都难，高温下都不容易发生位错和滑动。所以印加人的石墙久经地震都不倒。
& B5 O& g+ R1 o, J4 Q7 J7 }

* ?, r0 k# N- Y# J4 _4 [8 m印加石墙

& \, a6 D6 M1 K; @8 r! x# U- i航空发动机里常用镍基合金作为高温材料，但初始熔点在约1300C，工作温度只能限制在1160-1277C范围。高熵合金的高温下屈服强度远远高于镍基合金，有报道在1600C是屈服强度达到400MPa，远远超过Inconel 718镍基合金在1000C的不到200MPa的屈服强度，有望极大提高热机性能。
0 K+ h* }/ P" K) l& ^
另一方面，CrMnFeCoNi高熵合金在温度从298K下降到77K时，断裂韧性几乎保持不变，而没有传统的钢、非晶合金、镁合金、多孔金属和纳米金属的尖锐的韧脆转变，适合用于极低温场合，如LNG或者液氢储罐。这也使得金工加工容易。
) [4 `! \' G' c- m9 ?
& }! u) H. U- L. i3 o& |在耐腐蚀方面，高熵合金也有神技。通过激光表面合金化方法，可在304不锈钢上制备了具有良好冶金结合性能的FeCoCrAlNi涂层，测试表明其显微硬度是304不锈钢的3倍，在3.5%的NaCl溶液中，其抗空蚀性能是304不锈钢的7.6倍左右，电流密度比304不锈钢降低了一个数量级。激光表面合金化制备的CrMnFeCoNi涂层也使得A36普通碳钢具有高级不锈钢的耐腐蚀能力。
' G3 D: r/ f3 x# ~. Q
不过高熵合金的制备非常麻烦。
$ u, o: j4 P+ C7 o' L
武汉大学付磊团队用液态金属的镓作为“粘结剂”，解决了高熵合金的制备问题，成果在《自然》杂志上发表时，因为太离经叛道，结果也太完美，被审委要求追加实验、数据和计算。结果着实震惊了一把。

' J( _( A# o0 E  b# O
X光频谱下观察到的元素和金属

6 W# m# P' s$ k; [( l( {+ c0 q" P
对新的制备机理的解释，用镓把其他金属原子粘结起来，然后用氢把镓“抽取”出来，镓本身不是合金材料的一部分

镓的熔点很低，只有29.8C，捏在手里就熔化了。付磊团队发现，把多种金属放在液态镓的表面，金属原子会自己生长为HEA的形态，然后用氢把镓“抽取”出来。付磊团队用这个方法成功地把原来需要在2000C完成的过程，降低到650C完成，大大降低了高熵合金制备的难度，而材料性质与常规制备方法无异。重要的是，镓只是提供一个结晶的生长点，但本身并不是合金的组成部分，最后还是要“抽身而出”的。

5 d! j6 ~5 S& {% m付磊团队还用新方法试验了很多传统方法没有试过的新高熵合金的组合，取得很好的结果，适用于原子直径在1.24-1.97埃、熔点在303到3683K之间的很大范围，一埃等于十分之一纳米。
+ w. s; U  w5 F  w# Q4 X3 Q. i1 T& ^
也就是说，很多以前不敢想象的金属组合现在都可能了，还是高熵。
5 W# g, m* @# j2 ^# a
" _8 B, }# O; ]$ S3 j7 o1 w很期待实用化，使得中国航机和其他工业得到阶跃式的发展。
, R. M1 {3 c! J6 Q5 ^* ?  Z
/ N8 h' V! h$ B这里是付磊的介绍：

8 C6 B' _: ?( i- z* T3 W# [http://cn.leifu.whu.edu.cn/info/1026/1393.htm
/ M" i: g0 |, W) b# M3 v0 ^
; ^4 t+ H- z( c) \

研究与教学工作

7 Q) I8 U+ o. m; r付磊教授自2012年到武大工作以来，在二维材料的可控制备领域做出了具有特色且系统的研究工作，创新性地提出了液态金属剂策略，深入研究了其上二维材料独特的生长行为，成功解决了二维材料制备过程中的一些瓶颈性问题。解决了二维材料制备过程中层数不均的问题；建立了伴生生长新方法，实现了二维材料全堆垛异质结的构建；发现了二维材料的自组织生长行为，获得了超有序阵列结构，为二维材料在集成器件领域的应用奠定了坚实基础。
; e3 Q4 {7 J1 g( T. W
翻译国内首部石墨烯学术专著（《石墨烯：基础及新兴应用》，科学出版社，2015年）。撰写国内首部同步辐射科普书（《同步辐射：从发现到科学应用》，科学出版社，2022年），撰写液态金属英文专著（Liquid Metals: Properties, Mechanisms and Applications，Wiley，2022年）。

付磊教授还非常注重本科生、研究生教学工作：承担一门全校通识课“生活中的化学”的教学工作，深受本科生的喜爱；每年均承担多门研究生必修课的教学工作；连年被评为“优秀班级导师”、“我最喜欢的教师”；2015年被评为第14届“挑战杯”全国大学生学术科技作品竞赛“优秀指导老师”；2015年被评为武汉大学十大“我心目中的好导师”；2016年被“科学人”评为全国十大“全能导师”。
- a9 K/ q5 T7 {% M) e6 b5 G/ W
教育及工作经历
  `! ^1 u4 Q/ e# h% z; P
1997～2001年：武汉大学化学学院，本科
! R7 ~+ N/ m, W5 T& j* L2001～2006年：中国科学院化学研究所，博士 (导师：刘云圻院士、朱道本院士)
2006～2007年：美国Los Alamos国家实验室，博士后
' A9 z" ~1 o0 m2 b) M2007～2011年：北京大学前沿交叉学科研究院，副研究员 (刘忠范院士团队)
) i& {4 w- y# q2009年：日本理化学研究所 (RIKEN)，合作研究
2011年：德国莱布尼茨固态和材料研究所 (IFW)，合作研究
2011年～：武汉大学化学与分子科学学院，教授
. S# Z- L( K4 H" y+ Q8 Y. w; Z- K/ `2 t
2 Z' N$ y, A2 ]! k* H9 ~* l9 a/ b% g荣誉与奖励

6 m9 J5 D# y3 v3 e3 r$ l2020年：国家杰出青年基金获得者
2018年：湖北青年五四奖章获得者
( U/ w& d2 }% `  Q2014年：获“武汉市优秀青年科技工作者”称号
9 k1 H$ A1 T9 T7 X- x- e2014年：湖北省杰出青年基金获得者
% v) ?1 v3 b8 v; n2013年：国家优秀青年基金获得者
1 i# F4 i+ m! \$ {2 o5 I5 ?2012年：获中国化学会“青年化学奖”
2005年：中国科学院院长特别奖

0 a2 E3 b/ T" L; ], i$ y" L: l9 h; z( t对了，再次感谢《南华早报》，这是消息来源：
4 G* ]( c0 }3 P7 l
https://www.scmp.com/news/china/ ... amp;pgtype=homepage

huma

国内对科学研究的投入大了，而且还有那么多人才，不出成果才怪。他们是赶上一好的时代，加油

晨枫

huma 发表于 2023-6-24 19:04
国内对科学研究的投入大了，而且还有那么多人才，不出成果才怪。他们是赶上一好的时代，加油 ...

  @, Q5 n6 b0 B2 i其实现在新毕业的最需要担心的，是现在已经在岗位上的中青年一代学霸，他们要在位子上坐好久呢。

huma

晨枫 发表于 2023-6-25 09:05
( |, M4 @4 g+ J' k7 W8 T- M! R3 _0 o其实现在新毕业的最需要担心的，是现在已经在岗位上的中青年一代学霸，他们要在位子上坐好久呢。 ...

$ F" G/ y0 R1 v$ B: v3 V/ T没那么多好担心的，是人才总是要发光的。白头鹰对中国科技人员的封锁，是最大的失策。只有交流才能获得更多更好的人才。封锁只能是自己失去更多的技术人才，得不偿失的手段，不是一个有远见的政治家行为，再也没有5，60年代美国的精神。

鳕鱼邪恶

呃，泄密不？ 兔子能不能有一天别再以登上《自然》为荣？

三体

这种逆天成果干嘛发自然？

老财迷

这肯定要在航空发动机、火箭发动机、爆震发动机上用一下啊。
6 m, v2 ~2 e2 _# Z7 Q& s* G7 D----
5 \; v  E$ h" l' p9 F适用于原子至今在1.24-1.97埃
没猜出“至今”是啥，看了下原文，是：atomic radii (1.24 to 1.97 angstrom)

晨枫

老财迷 发表于 2023-6-25 07:24
' {1 X/ U  ~9 H6 y这肯定要在航空发动机、火箭发动机、爆震发动机上用一下啊。
6 H7 |+ a$ C7 Y8 Q8 W' }7 w& q----
2 \7 R$ k1 A' ]! q" I适用于原子至今在1.24-1.97埃

哈，直径