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Le monde merveilleux des métaux mixtes : pourquoi les alliages à haute entropie présentent-ils des propriétés inégalées ?
Les alliages à haute entropie (HEA) constituent une révolution dans la science des matériaux ces dernières années. Contrairement aux alliages métalliques traditionnels, ces alliages sont formés en mélangeant cinq éléments ou plus dans des proportions relativement égales. Les alliages métalliques traditionnels ne contiennent généralement qu’un ou deux composants principaux et de petites quantités d’autres éléments. Par exemple, du carbone ou du manganèse sont ajoutés aux alliages de fer pour améliorer leurs propriétés, mais les proportions de ces éléments sont souvent relativement faibles. Par conséquent, l’émergence d’alliages à haute entropie peut être décrite comme une nouvelle exploration des matériaux.
"La définition des alliages à haute entropie vient de l'augmentation de l'entropie due à l'augmentation du nombre d'éléments lors du processus de mélange. Cette augmentation de l'entropie est plus évidente lorsque le rapport de composition est similaire."
Ce terme a été proposé pour la première fois par le scientifique taïwanais Ye Jianwei. Il a proposé une méthode permettant de synthétiser des alliages à haute entropie en 1995 et a ensuite mené des recherches pendant de nombreuses années. À cette époque, ses recherches constituaient presque une exploration indépendante à l’échelle mondiale, alors que d’autres pays étaient relativement en retard dans la recherche sur les alliages à haute entropie. Dans les années 2010, avec les progrès de la technologie et l’émergence de potentiels d’application, les pays ont commencé à intensifier la recherche sur les alliages à haute entropie.
Caractéristiques et applications des alliages à haute entropie
La recherche montre que certains alliages à haute entropie surpassent les alliages traditionnels en termes de rapport résistance/poids, de résistance à la rupture, de résistance à la traction et de résistance à la corrosion et à l'oxydation. Du point de vue des applications, le potentiel d’application pratique des alliages à haute entropie dans les domaines de la course automobile, de l’aérospatiale, des sous-marins et des réacteurs nucléaires est accrocheur. Les applications possibles des alliages à haute entropie sont presque universelles et pourraient devenir à l’avenir des matériaux clés dans les domaines aérospatial, militaire, médical et autres.
"Qu'il s'agisse de la stabilité des électrets solides ou de la durabilité des alliages à haute résistance, le potentiel des alliages à haute entropie regorge de défis et d'opportunités pour l'avenir."
Effet de base des alliages à haute entropie
Les quatre effets principaux des alliages à haute entropie comprennent l'effet de haute entropie, l'effet de distorsion sévère du réseau, l'effet de diffusion lente et l'effet cocktail. Ces caractéristiques rendent les alliages à haute entropie très différents des alliages traditionnels en termes de microstructure et de propriétés mécaniques.
Effet d'entropie élevée
L'effet d'entropie élevée est considéré comme l'une des caractéristiques les plus importantes des alliages à haute entropie. Il favorise la formation de solution solide et simplifie la microstructure de l'alliage. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, les solutions solides contenant généralement plusieurs éléments sont plus susceptibles de former un état d'équilibre stable en raison de leur valeur d'entropie élevée.
Effet de distorsion sévère du réseau
Les multiples composants principaux des alliages à haute entropie produisent des déformations et des contraintes de réseau plus fortes dans la structure cristalline. Cette grave distorsion du réseau affecte les propriétés mécaniques, thermiques, électriques et chimiques du matériau, avantages que les alliages conventionnels ne peuvent offrir.
Effet de diffusion lente
Étant donné que la structure des alliages à haute entropie est macroscopiquement uniforme et que les chemins de diffusion requis par les atomes sont plus complexes, ils présentent des taux de diffusion plus faibles, ce qui les rend plus résistants aux changements de stabilité thermique et fonctionnelle.
Effet cocktail
L'effet cocktail signifie que l'amélioration des propriétés de l'alliage provient de l'interaction d'au moins cinq éléments majeurs. Les caractéristiques des HEA proviennent non seulement des propriétés physiques des éléments individuels, mais également des interactions et des effets de combinaison entre leurs phases composites.
Conception de l'alliage et formation des phases
À la différence des conceptions d'alliages traditionnelles, les alliages à haute entropie se concentrent sur l'application de proportions égales de plusieurs composants. Traditionnellement, le choix d’un élément dominant pouvait limiter les performances de l’alliage. Les alliages à haute entropie sont extrêmement flexibles et polyvalents à cet égard, et de nouveaux types d'alliages peuvent être conçus en fonction des besoins.
Pendant le processus de formation des phases des alliages, la loi des phases de Gibbs fournit une base pour déterminer la limite du nombre de phases. Cependant, dans la pratique, de nombreux alliages à haute entropie forment principalement une seule phase de solution solide, ce qui dépasse les attentes courantes pour les systèmes multicomposants. Ce phénomène exploite l’énorme potentiel des alliages à haute entropie, qui sont essentiels à leur capacité à obtenir des propriétés supérieures dans diverses combinaisons de compositions.
La recherche sur les alliages à haute entropie repousse non seulement les limites de la science des matériaux, mais stimule également la demande et l'application de nouveaux matériaux dans tous les domaines. Cela signifie-t-il que nous sommes sur le point d’entrer dans une nouvelle ère de révolution des matériaux métalliques ?
