可探索的空間仍然非常巨大，而我們目前只看到一小部分宇宙。
埃姆斯實驗室的高熵合金制作設備。 圖片來源：Jason Edwards/Getty
乍一看，這個設備像是在建造的一個微型景觀。一圈噴嘴對從四個噴管噴出的金屬粉末加熱，形成向下的光束，融合碰撞的微粒。然后，混合物凝聚成晶粒，形成一個逐步生長的小型柱狀合金。一旦合金柱達到2厘米高時，平臺將其移動到一邊，設備接著建造另一個。
驚鴻一瞥
實際上，這些金屬柱子“誕生”自美國愛荷華州埃姆斯實驗室，反映了科學家對合金看法的重大改變。制造合金的標準技術(shù)從遠古鑄劍到現(xiàn)在制造發(fā)動機引擎葉片一直在沿用，也就是將有用的金屬混合一系列能提升性能的東西，例如在鐵中加碳制成鋼。
但該設備正在制造高熵合金實驗樣品，它由四五個，甚至更多的元素以嚴格的比例混合而成。這種看似簡單的配方可以生產(chǎn)出比傳統(tǒng)材料更輕、更強的合金，并且更耐腐蝕、耐輻照等。最終，研究人員希望這個方法能夠生產(chǎn)從未有過的磁性或電性能合金，并形成新一代技術(shù)。
中國北京科技大學新金屬國家重點實驗室張勇認為“我們幾乎已經(jīng)探索過傳統(tǒng)金屬的所有方面，而對于高熵合金這方面的研究是全新的”。雖然，高熵合金尚未從實驗室推廣到市場，不過研究者期望在高溫爐襯和超輕型航天材料等方面獲得潛在應用。
美國帕特森空軍基地實驗室材料科學家Daniel Miracle認為，“我們并不僅僅是在談論一種材料，而是如何混合元素的哲學”。“找到新而激動的東西的機會是很高的。”去年，他和同事估計過從一組26個元素中，抽取3、4、5、6種金屬元素混合，可得到大約313560種不同的合金。
但德國波鴻魯爾大學材料工程師Easo Georg認為，并不是所有的混合都能奏效?？茖W家仍在研究哪些有效哪些沒有。他認為，“可探索的空間仍然非常巨大，而我們目前只看到一小部分宇宙”。
更輕更強
高熵合金概念由中國臺灣科學家葉均蔚于1995年提出。葉均蔚認為，傳統(tǒng)合金的物理性能已經(jīng)得到了很好的研究，在原子層面上，純金屬具有規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)——由相同的原子一層層堆出。有時，這些層相互之間很容易滑動，表現(xiàn)到金屬就是非常軟而不能用，這就是純金僅僅只能用在珠寶上的原因。但在金屬中添加不同原子尺寸的元素能降低滑動趨勢，從而創(chuàng)造更硬的合金。精確的混合物可以讓冶金學家調(diào)控合金的腐蝕性或者熔點等性能。
但葉均蔚同樣認識到了潛在的復雜性。如果加入太多元素，混合物就會變脆。因此，他發(fā)現(xiàn)，與其一種主要材料混合一兩個元素，為什么不用四五個甚至更多的元素等比混合？不同的原子有大量的可能性排列，從而出現(xiàn)高熵，如此消除了任何形成規(guī)律性能晶體結(jié)構(gòu)的傾向。因為每一種隨意的混合元素都是不同尺寸的，不太可能相互滑動，從而創(chuàng)造出非常硬的材料。
當然，這在當時是個奇怪的想法，即使在自己的實驗室，葉均蔚也未將之放到很高的優(yōu)先級上。直到2004年其團隊才首次混合了5~10種元素，得到比不銹鋼更硬的合金。
高熵合金領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。2009年，張勇報道了一種含鈷、鉻、銅、鐵、鎳、鋁的合金，比純鋁硬14倍，韌性達近3倍。2011年，葉均蔚報道了鈷、鉻、鐵、鎳、鋁、鈦合金的抗磨性能是普通抗磨鋼的兩倍。2014年，George及其團隊研究的鈷、鉻、鐵、鎂、鎳合金在液氮溫度下也不會變脆。該材料適用于天然氣管道和航天器等低溫設備。
另外，美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室與橡樹嶺國家實驗室合作開發(fā)出一種叫作鉻錳鐵鈷鎳的高熵合金，經(jīng)檢測它不僅是現(xiàn)有記錄的最硬材料之一，而且在低溫下強度、延展性反而提高。
研究人員表示，鉻錳鐵鈷鎳合金能在低溫下表現(xiàn)出非凡的強度、延展性和硬度，關(guān)鍵在于一種“納米結(jié)對”效應，也就是在變形過程中，相鄰晶格區(qū)的原子排列彼此形成鏡像結(jié)構(gòu)。伯克利實驗室材料學家羅伯特·里奇說：“這表明它除了具有大部分金屬在環(huán)境溫度下具有的平滑錯位機制，還有一種塑性機制。在低溫下，材料經(jīng)受了塑性變形產(chǎn)生了納米結(jié)對，結(jié)果就是連續(xù)的機械硬化，以此來遏制早期破壞造成的局部變形?！?/p>
傳統(tǒng)合金制造方法的一個不變特征是，一種元素做主成分，其余為少量添加，其機械性能通常依靠出現(xiàn)第二種相態(tài)?！案哽睾辖饛母旧线`反了傳統(tǒng)方法，它的性質(zhì)并非來自合金中的每種成分或第二種相態(tài)?！崩锲嬲f，“高熵這一概念意味著，隨著合金成分元素的增加，其位形熵也增加，也就抵消了它們形成化合物，變成單相態(tài)材料（如純金屬）的趨勢?！?/p>
選擇太多
大量的可能性是高熵合金的優(yōu)點，但也是研究人員的最大挑戰(zhàn)。Miracle認為，元素周期表上有超過80種金屬元素，“合金太多而無法一一測試，也沒有足夠的時間去測試”。
在為航空器引擎和飛機研究高熵合金時，他在搜尋更輕、更耐腐蝕，并能在高溫下保持強度的材料。經(jīng)過大量測試，Miracle將范圍縮小到鈮、鉭、鉻等金屬，因為它們的熔點很高。
里奇還指出，鉻錳鐵鈷鎳合金及其他高熵合金的機械性質(zhì)尚未達到最優(yōu)化，它們可能還有更好的性質(zhì)。“由于高熵合金是單一相態(tài)，我們推測它們用在低溫下可能非常理想，比如存儲液化天然氣、氫氣和氧氣?！彼f。
另外，科學家正試著重復目前已經(jīng)有很好了解的合金的性能。例如，有些鋼材不僅僅是隨機的原子混合，而且在快速冷卻時形成了小型的化合物結(jié)節(jié)。盡管這種化合物的穩(wěn)定性不如隨機混合物，但表現(xiàn)出比鋼更高的彈性。美國麻省理工學院金屬學家Cem Tasan曾將鐵、鎂、鈷、鉻混合進高熵合金，得到了極高的硬度和彈性，而它們的性能看起來似乎是完全相反的。Tasan 認為“放棄任何我們知道的知識都是不明智的”。
埃姆斯實驗室的迷你摩天樓意味著另一種更系統(tǒng)化的方法。該設備可在1個小時內(nèi)建造30個合金柱，每個柱子的原材料只有細微差別，如此研究者可以快速測試合金的性能。該實驗室材料科學家Matthew Kramer正在主導一項研究：尋找可以抵御高溫和腐蝕的高熵合金，以幫助火電廠在高溫下更有效運作。
而該實驗室理論學家Duane Johnson負責協(xié)助該團隊。1995年，Johnson發(fā)明了一套運算法則，在傳統(tǒng)合金制造出來前就能預測其性能。2015年，他擴展了適用高熵合金的算法。Johnson的算法能評定一個元素到何種程度就會被另一個吸引或者排斥，然后利用這個信息預測元素的混合是形成化合物、固溶體或兩者都有。如此讓Kramer團隊確定哪種合金值得一試。然后，實驗數(shù)據(jù)能反饋給Johnson以修正該算法，提高準確性。
目前，高熵合金領(lǐng)域前進的道路上有大量障礙。人們當下的關(guān)注點是提高結(jié)構(gòu)性能，但對于導電性或磁性等特殊功能性合金則沒有多少關(guān)注。
盡管如此，還有大量的可能性需要探索，尤其是科學家開始擴展最初對高熵合金的界定。包括Tasan、葉均蔚在內(nèi)的諸多科學家，已經(jīng)開始實驗混合大量元素但不是等比的效果。初步結(jié)果顯示，大多數(shù)合金仍然保持了高熵合金的性能。
“我們現(xiàn)在有更豐富的領(lǐng)域要探索了?！盙eorge說。（張章）
《中國科學報》 (2016-06-23 第3版 國際)