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O maravilhoso mundo dos metais mistos: por que as ligas de alta entropia exibem propriedades incomparáveis?
As ligas de alta entropia (HEAs) são uma revolução na ciência dos materiais nos últimos anos. Ao contrário das ligas metálicas tradicionais, essas ligas são formadas pela mistura de cinco ou mais elementos em proporções relativamente iguais. As ligas metálicas tradicionais geralmente contêm apenas um ou dois componentes principais e pequenas quantidades de outros elementos. Por exemplo, carbono ou manganês são adicionados às ligas de ferro para melhorar as suas propriedades, mas as proporções destes elementos são frequentemente relativamente baixas. Portanto, o surgimento de ligas de alta entropia pode ser descrito como uma nova exploração de materiais.
"A definição de ligas de alta entropia vem do aumento da entropia devido ao aumento do número de elementos durante o processo de mistura. Este aumento da entropia é mais óbvio quando a proporção de composição é semelhante."
Este termo foi proposto pela primeira vez pelo cientista taiwanês Ye Jianwei. Ele propôs um método para sintetizar ligas de alta entropia em 1995 e conduziu pesquisas por muitos anos depois. Naquela época, sua pesquisa era quase uma exploração independente em escala global, enquanto outros países estavam relativamente atrasados na pesquisa sobre ligas de alta entropia. Na década de 2010, com o avanço da tecnologia e o surgimento do potencial de aplicação, os países começaram a aumentar a pesquisa em ligas de alta entropia.
Características e aplicações de ligas de alta entropia
Pesquisas mostram que algumas ligas de alta entropia superam as ligas tradicionais em termos de relação resistência-peso, resistência à fratura, resistência à tração e resistência à corrosão e oxidação. Do ponto de vista da aplicação, o potencial de aplicação prática das ligas de alta entropia em corridas, aeroespacial, submarinos e reatores de energia nuclear é atraente. As possíveis aplicações de ligas de alta entropia são quase abrangentes e podem se tornar materiais-chave nos campos aeroespacial, militar, médico e outros no futuro.
"Seja a estabilidade de eletretos sólidos ou a durabilidade de ligas de alta resistência, o potencial das ligas de alta entropia está repleto de desafios e oportunidades no futuro."
Efeito central de ligas de alta entropia
Os quatro efeitos principais das ligas de alta entropia incluem efeito de alta entropia, efeito de distorção severa de rede, efeito de difusão lenta e efeito coquetel. Estas características tornam as ligas de alta entropia muito diferentes das ligas tradicionais em termos de microestrutura e propriedades mecânicas.
Efeito de alta entropia
O efeito de alta entropia é considerado uma das características mais importantes das ligas de alta entropia. Promove a formação de solução sólida e simplifica a microestrutura da liga. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, soluções sólidas geralmente contendo múltiplos elementos têm maior probabilidade de formar um estado de equilíbrio estável devido ao seu alto valor de entropia.
Efeito de distorção severa da rede
Múltiplos componentes principais em ligas de alta entropia produzem deformações e tensões mais fortes na estrutura cristalina. Esta severa distorção da rede afeta as propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e químicas do material, vantagens que as ligas convencionais não podem oferecer.
Efeito de difusão lenta
Como a estrutura das ligas de alta entropia é macroscopicamente uniforme e os caminhos de difusão exigidos pelos átomos são mais complexos, ela apresenta taxas de difusão mais baixas, tornando-a mais resistente a mudanças na estabilidade térmica e funcional.
Efeito Coquetel
O efeito coquetel significa que a melhoria das propriedades da liga vem da interação de pelo menos cinco elementos principais. As características dos HEAs vêm não apenas das propriedades físicas de elementos individuais, mas também das interações e efeitos de combinação entre suas fases compostas.
Projeto de liga e formação de fase
Diferentemente dos designs de ligas tradicionais, as ligas de alta entropia concentram-se na aplicação de proporções iguais de múltiplos componentes. Tradicionalmente, a escolha de um elemento dominante pode ter limitado o desempenho da liga. As ligas de alta entropia são extremamente flexíveis e versáteis neste aspecto, e novos tipos de ligas podem ser projetados de acordo com as necessidades.
Durante o processo de formação de fases de ligas, a lei de fases de Gibbs fornece uma base para determinar o limite do número de fases. No entanto, na prática, muitas ligas de alta entropia formam principalmente uma única fase de solução sólida, o que está além das expectativas comuns para sistemas multicomponentes. Este fenômeno extrai o enorme potencial das ligas de alta entropia, que são fundamentais para sua capacidade de atingir propriedades superiores em uma variedade de combinações de composições.
A pesquisa em ligas de alta entropia não apenas amplia os limites da ciência dos materiais, mas também estimula a demanda e a aplicação de novos materiais em todas as esferas da vida. Isso significa que estamos prestes a entrar em uma nova era de revolução do material metálico?
