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混合金属の素晴らしい世界: なぜ高エントロピー合金は比類のない特性を示すのでしょうか?
ハイエントロピー合金 (HEA) は、従来の金属合金とは異なり、5 つ以上の元素を比較的等しい割合で混合することによって形成される、近年の材料科学における革命です。従来の金属合金には、通常、1 つまたは 2 つの主要成分のみが含まれており、その他の元素は少量含まれています。たとえば、鉄合金の特性を改善するために炭素やマンガンが鉄合金に添加されますが、これらの元素の割合は多くの場合比較的低いです。したがって、ハイエントロピー合金の出現は、まったく新しい材料の探索であると言えます。
「高エントロピー合金の定義は、混合プロセス中の元素数の増加によるエントロピーの増加に基づいています。このエントロピーの増加は、組成比が類似している場合により明白になります。」
この用語は、台湾の科学者葉建偉によって初めて提案され、1995 年に高エントロピー合金を実際に合成する方法を提案し、その後長年研究を続けました。当時、他国が高エントロピー合金の研究で相対的に遅れをとっている中、彼の研究は地球規模でのほぼ独自の探査でした。 2010 年代までに、技術の進歩と応用の可能性の出現により、各国は高エントロピー合金の研究を強化し始めました。
ハイエントロピー合金の特徴と用途
研究によると、一部の高エントロピー合金は、強度重量比、耐破壊性、引張強度、耐腐食性と耐酸化性の点で従来の合金を上回っています。応用の観点から見ると、レース、航空宇宙、潜水艦、原子炉における高エントロピー合金の実用化の可能性は目を引くものです。高エントロピー合金の応用可能性はほぼ網羅的であり、将来的には航空宇宙、軍事、医療分野の重要な材料となる可能性があります。
「固体エレクトレットの安定性であれ、高強度合金の耐久性であれ、高エントロピー合金の可能性は、将来の課題と機会に満ちています。」
高エントロピー合金のコア効果
高エントロピー合金の 4 つの主要な効果には、高エントロピー効果、深刻な格子歪み効果、低速拡散効果、カクテル効果が含まれます。これらの特性により、高エントロピー合金は、微細構造と機械的特性の点で従来の合金とは大きく異なります。
高エントロピー効果
高エントロピー効果は、高エントロピー合金の最も重要な特性の 1 つであると考えられています。固溶体の形成を促進し、合金の微細構造を単純化します。熱力学の第 2 法則によれば、通常、複数の元素を含む固溶体は、エントロピー値が高いため、安定した平衡状態を形成する可能性が高くなります。
深刻な格子歪みの影響
高エントロピー合金の複数の主成分は、結晶構造内により強い格子歪みと応力を生成します。この深刻な格子歪みは、材料の機械的、熱的、電気的、化学的特性に影響を及ぼし、従来の合金では得られない利点が得られます。
遅い拡散効果
高エントロピー合金の構造は巨視的に均一であり、原子が必要とする拡散経路はより複雑であるため、拡散速度が低く、熱安定性や機能安定性の変化に対する耐性が高くなります。
カクテル効果
カクテル効果とは、少なくとも 5 つの主要元素の相互作用によって合金の特性が改善されることを意味します。 HEA の特性は、単一元素の物理的特性だけでなく、それらの複合相間の相互作用や組み合わせ効果からも得られます。
合金設計と相形成
従来の合金設計とは異なり、高エントロピー合金は、複数の成分を同じ割合で適用することに重点を置いています。従来、1 つの主要元素の選択によって合金の性能が制限されてきた可能性があります。この点において、高エントロピー合金は非常に柔軟で多用途であり、ニーズに応じて新しいタイプの合金を設計できます。
合金の相形成プロセス中、ギブズ相の法則は相数の限界を決定するための基礎となります。しかし、実際には、多くの高エントロピー合金は主に単一の固溶体相を形成しており、これは多成分系に対する一般的な予想を超えています。この現象は、さまざまな組成の組み合わせで優れた特性を達成する能力にある高エントロピー合金の大きな可能性を引き出します。
高エントロピー合金の研究は、材料科学の限界を押し広げるだけでなく、あらゆる分野での新材料の需要と応用を刺激します。新たな金属素材革命の時代が到来しようとしているということでしょうか。
