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O nascimento de ligas de alta entropia: o que impulsiona essa revolução dos metais?
As ligas de alta entropia (HEAs) são uma classe emergente de ligas compostas principalmente por cinco ou mais elementos misturados em proporções relativamente iguais. As ligas metálicas tradicionais geralmente consistem em apenas um ou dois componentes principais, com pequenas quantidades de outros elementos adicionados para melhorar suas propriedades. O conceito de ligas de alta entropia foi proposto pela primeira vez pelo cientista taiwanês Ye Jinwei em 1995. Essa descoberta fez com que a comunidade científica de materiais começasse a reexaminar o projeto e o potencial de aplicação das ligas.
Na formação de ligas de alta entropia, cada elemento da receita tem um impacto sutil no resultado final, refletindo como suas interações alteram as propriedades da liga.
As ligas de alta entropia possuem propriedades potencialmente superiores em comparação às ligas convencionais, incluindo maiores relações resistência-peso, melhor resistência à fratura e resistência à corrosão. Embora os HEAs tenham sido estudados desde a década de 1980, o verdadeiro avanço veio na década de 2010, quando o interesse por este material aumentou significativamente.
A história do desenvolvimento das HEAs
A pesquisa sobre ligas de alta entropia começou em 1981 e 1996, mas foi somente em 1995 que Ye Jinwei alcançou sucesso na síntese real de ligas pela primeira vez. Desde então, a pesquisa sobre HEAs tornou-se gradualmente popular em todo o mundo, especialmente em 2004, quando Ye e sua equipe projetaram com sucesso uma liga de alta entropia que pode suportar temperaturas e pressões extremamente altas. As aplicações potenciais deste tipo de liga incluem carros de corrida, naves espaciais, submarinos, reatores nucleares e outros campos de alta tecnologia.
O conceito de ligas de alta entropia não é apenas um avanço teórico, mas também abre novas possibilidades para muitas aplicações práticas, dando-nos uma nova compreensão das propriedades dos materiais metálicos.
Efeitos principais dos HEAs
As características das ligas de alta entropia podem ser resumidas em quatro efeitos principais: efeito de alta entropia, distorção severa da rede, difusão lenta e efeito coquetel. Esses efeitos são manifestações especiais dos HEAs em sua microestrutura e propriedades.
Efeito de alta entropia
O efeito de alta entropia é uma das características mais importantes dos HEAs porque promove a formação de soluções sólidas e simplifica a microestrutura. Tradicionalmente, esperava-se que as ligas multicomponentes formassem estruturas complexas devido a múltiplas interações entre os elementos, mas na verdade os efeitos da alta entropia levam a uma maior estabilidade das soluções sólidas, o que está intimamente relacionado com a segunda lei da termodinâmica.
Distorção severa da rede
Devido às soluções sólidas de elementos multiprimários em HEAs, o conceito de estrutura de rede tradicional precisa ser reconsiderado. Cada tipo de átomo é cercado por átomos diferentes, o que resulta em aumento de deformação e tensão na rede, com efeitos profundos nas propriedades mecânicas, térmicas e eletrônicas do material.
Difusão lenta
A estrutura especial dos HEAs resulta em uma taxa de difusão lenta. Este fenômeno melhora muito a estabilidade térmica e a integridade estrutural do material. Interações atômicas complexas durante a difusão dificultam o movimento rápido dos átomos, aumentando assim a durabilidade do material.
Efeito Coquetel
O efeito coquetel enfatiza o efeito de melhoria de pelo menos cinco elementos principais nas propriedades da liga. As propriedades dessas ligas resultam da interação de múltiplos componentes, impulsionando ainda mais a busca e o design de novos materiais.
Novas ideias para design de ligas
O projeto de liga tradicional é geralmente baseado em um elemento principal e uma pequena proporção de elementos é adicionada para melhorar o desempenho. No entanto, no projeto de HEAs, os pesquisadores precisam explorar o equilíbrio entre vários elementos. De acordo com pesquisas preliminares, o sucesso da AES muitas vezes requer a inclusão de algumas fases secundárias para fortalecer o material. No entanto, a formação de materiais monofásicos continua a ser uma forma importante de aprofundar a nossa compreensão dos mecanismos básicos dos HEAs.
Perspectivas Futuras
Com o aprofundamento da investigação, a compreensão dos HEAs tornar-se-á cada vez mais abrangente e os seus campos de aplicação também continuarão a expandir-se. Se as ligas de alta entropia podem desempenhar um papel fundamental na inovação tecnológica futura e trazer mais conveniência, eficiência e sustentabilidade à sociedade humana tornou-se uma área que os cientistas estão constantemente a explorar.
A questão levantada por esta revolução metálica é: Como as ligas de alta entropia mudarão nossa compreensão fundamental dos materiais e suas aplicações?
