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Die wunderbare Welt der gemischten Metalle: Warum weisen Hochentropielegierungen beispiellose Eigenschaften auf?
Hochentropielegierungen (HEAs) stellen in den letzten Jahren eine Revolution in der Materialwissenschaft dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metalllegierungen werden diese Legierungen durch das Mischen von fünf oder mehr Elementen in relativ gleichen Anteilen gebildet. Herkömmliche Metalllegierungen enthalten normalerweise nur eine oder zwei Hauptkomponenten und geringe Mengen anderer Elemente. Beispielsweise werden Eisenlegierungen zur Verbesserung ihrer Eigenschaften Kohlenstoff oder Mangan zugesetzt, die Anteile dieser Elemente sind jedoch oft relativ gering. Daher kann die Entstehung hochentropischer Legierungen als eine völlig neue Materialforschung bezeichnet werden.
„Die Definition von Legierungen mit hoher Entropie ergibt sich aus der Zunahme der Entropie aufgrund der Zunahme der Anzahl der Elemente während des Mischvorgangs. Diese Zunahme der Entropie ist deutlicher, wenn das Zusammensetzungsverhältnis ähnlich ist.“
Dieser Begriff wurde erstmals vom taiwanesischen Wissenschaftler Ye Jianwei vorgeschlagen. Er schlug 1995 eine Methode zur tatsächlichen Synthese von Hochentropielegierungen vor und forschte danach viele Jahre lang. Zu dieser Zeit handelte es sich bei seiner Forschung fast um eine eigenständige Erkundung auf globaler Ebene, während andere Länder bei der Erforschung hochentropischer Legierungen relativ zurückblieben. In den 2010er Jahren begannen die Länder mit der Weiterentwicklung der Technologie und dem Aufkommen von Anwendungspotenzialen, die Forschung zu Hochentropielegierungen zu intensivieren.
Eigenschaften und Anwendungen von Hochentropielegierungen
Untersuchungen zeigen, dass einige hochentropische Legierungen herkömmliche Legierungen in Bezug auf das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Bruchfestigkeit, Zugfestigkeit sowie Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit übertreffen. Aus anwendungstechnischer Sicht ist das praktische Einsatzpotenzial von Hochentropielegierungen im Rennsport, in der Luft- und Raumfahrt, auf U-Booten und in Kernkraftwerken auffällig. Die möglichen Anwendungen von Hochentropielegierungen sind nahezu umfassend und sie könnten in Zukunft zu Schlüsselmaterialien in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und in der Medizin werden.
„Ob es um die Stabilität fester Elektrete oder die Haltbarkeit hochfester Legierungen geht, das Potenzial hochentropischer Legierungen ist voller Herausforderungen und Chancen für die Zukunft.“
Kerneffekt von Hochentropielegierungen
Zu den vier Kerneffekten von Legierungen mit hoher Entropie gehören der Hochentropieeffekt, der starke Gitterverzerrungseffekt, der langsame Diffusionseffekt und der Cocktaileffekt. Aufgrund dieser Eigenschaften unterscheiden sich Hochentropielegierungen hinsichtlich der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften stark von herkömmlichen Legierungen.
Hoher Entropieeffekt
Der Hochentropieeffekt gilt als eines der wichtigsten Merkmale von Legierungen mit hoher Entropie. Es fördert die Bildung einer festen Lösung und vereinfacht die Mikrostruktur der Legierung. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist es aufgrund ihres hohen Entropiewerts wahrscheinlicher, dass feste Lösungen, die normalerweise mehrere Elemente enthalten, einen stabilen Gleichgewichtszustand bilden.
Schwerer Gitterverzerrungseffekt
Mehrere Hauptkomponenten in hochentropischen Legierungen erzeugen stärkere Gitterspannungen und Spannungen in der Kristallstruktur. Diese starke Gitterverzerrung beeinträchtigt die mechanischen, thermischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften des Materials – Vorteile, die herkömmliche Legierungen nicht bieten können.
Langsamer Diffusionseffekt
Da die Struktur hochentropischer Legierungen makroskopisch gleichmäßig ist und die von den Atomen benötigten Diffusionswege komplexer sind, weisen sie geringere Diffusionsraten auf, was sie widerstandsfähiger gegenüber Änderungen der thermischen und funktionellen Stabilität macht.
Cocktaileffekt
Der Cocktaileffekt bedeutet, dass die Verbesserung der Legierungseigenschaften auf dem Zusammenspiel von mindestens fünf Hauptelementen beruht. Die Eigenschaften von HEAs ergeben sich nicht nur aus den physikalischen Eigenschaften einzelner Elemente, sondern auch aus den Wechselwirkungen und Kombinationseffekten zwischen ihren Verbundphasen.
Legierungsdesign und Phasenbildung
Anders als herkömmliche Legierungsdesigns konzentrieren sich Legierungen mit hoher Entropie auf die Verwendung gleicher Anteile mehrerer Komponenten. Traditionell kann die Wahl eines dominanten Elements die Leistung der Legierung eingeschränkt haben. Hochentropielegierungen sind in dieser Hinsicht äußerst flexibel und vielseitig, und je nach Bedarf können neue Legierungstypen entwickelt werden.
Während des Phasenbildungsprozesses von Legierungen bietet das Gibbs-Phasengesetz eine Grundlage für die Bestimmung der Phasenzahlgrenze. In der Praxis bilden viele Legierungen mit hoher Entropie jedoch hauptsächlich eine einzige feste Lösungsphase, was über die üblichen Erwartungen für Mehrkomponentensysteme hinausgeht. Dieses Phänomen schöpft das enorme Potenzial hochentropischer Legierungen aus, das in ihrer Fähigkeit liegt, in einer Vielzahl von Zusammensetzungskombinationen überlegene Eigenschaften zu erreichen.
Die Forschung zu Hochentropielegierungen verschiebt nicht nur die Grenzen der Materialwissenschaft, sondern stimuliert auch die Nachfrage und Anwendung neuer Materialien in allen Lebensbereichen. Bedeutet das, dass wir kurz vor dem Eintritt in eine neue Ära der Metallmaterialrevolution stehen?
