Language
Country/Area
No result found
Thế giới tuyệt vời của kim loại hỗn hợp: Tại sao hợp kim có entropy cao lại có những đặc tính vô song?
Hợp kim có entropy cao (HEA) là một cuộc cách mạng trong khoa học vật liệu trong những năm gần đây. Không giống như các hợp kim kim loại truyền thống, các hợp kim này được hình thành bằng cách trộn năm nguyên tố trở lên với nhau theo tỷ lệ tương đối bằng nhau. Hợp kim kim loại truyền thống thường chỉ chứa một hoặc hai thành phần chính và một lượng nhỏ các nguyên tố khác. Ví dụ, carbon hoặc mangan được thêm vào hợp kim sắt để cải thiện tính chất của chúng, nhưng tỷ lệ của các nguyên tố này thường tương đối thấp. Do đó, sự xuất hiện của hợp kim entropy cao có thể được mô tả như một cuộc khám phá vật liệu mới.
"Định nghĩa về hợp kim có entropy cao xuất phát từ sự gia tăng entropy do sự gia tăng số lượng nguyên tố trong quá trình trộn. Sự gia tăng entropy này rõ ràng hơn khi tỷ lệ thành phần tương tự nhau."
Thuật ngữ này lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà khoa học Đài Loan Ye Jianwei. Ông đã đề xuất một phương pháp thực sự tổng hợp các hợp kim có entropy cao vào năm 1995 và tiến hành nghiên cứu trong nhiều năm sau đó. Vào thời điểm đó, nghiên cứu của ông gần như là một cuộc khám phá độc lập trên quy mô toàn cầu, trong khi các nước khác tương đối tụt hậu trong nghiên cứu về hợp kim có entropy cao. Đến những năm 2010, với sự tiến bộ của công nghệ và tiềm năng ứng dụng xuất hiện, các nước bắt đầu tăng cường nghiên cứu về hợp kim có entropy cao.
Đặc điểm và ứng dụng của hợp kim có entropy cao
Nghiên cứu cho thấy một số hợp kim có entropy cao vượt trội hơn các hợp kim truyền thống về tỷ lệ độ bền trên trọng lượng, khả năng chống gãy, độ bền kéo cũng như khả năng chống ăn mòn và oxy hóa. Từ góc độ ứng dụng, tiềm năng ứng dụng thực tế của hợp kim entropy cao trong xe đua, hàng không vũ trụ, tàu ngầm và lò phản ứng năng lượng hạt nhân là rất đáng chú ý. Các ứng dụng có thể có của hợp kim entropy cao hầu như bao gồm tất cả và chúng có thể trở thành vật liệu quan trọng trong hàng không vũ trụ, quân sự, y tế và các lĩnh vực khác trong tương lai.
"Cho dù đó là sự ổn định của chất điện rắn hay độ bền của hợp kim có độ bền cao, thì tiềm năng của hợp kim có entropy cao vẫn chứa đầy những thách thức và cơ hội trong tương lai."
Hiệu ứng cốt lõi của hợp kim có entropy cao
Bốn tác dụng cốt lõi của hợp kim có entropy cao bao gồm hiệu ứng entropy cao, hiệu ứng biến dạng mạng tinh thể nghiêm trọng, hiệu ứng khuếch tán chậm và hiệu ứng cocktail. Những đặc điểm này làm cho hợp kim có entropy cao rất khác so với hợp kim truyền thống về cấu trúc vi mô và tính chất cơ học.
Hiệu ứng entropy cao
Hiệu ứng entropy cao được coi là một trong những đặc tính quan trọng nhất của hợp kim có entropy cao. Nó thúc đẩy sự hình thành dung dịch rắn và đơn giản hóa cấu trúc vi mô của hợp kim. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, dung dịch rắn thường chứa nhiều nguyên tố có nhiều khả năng hình thành trạng thái cân bằng ổn định hơn do giá trị entropy cao của chúng.
Hiệu ứng biến dạng mạng nghiêm trọng
Nhiều thành phần chính trong hợp kim có entropy cao tạo ra ứng suất và biến dạng mạng mạnh hơn trong cấu trúc tinh thể. Sự biến dạng mạng nghiêm trọng này ảnh hưởng đến các tính chất cơ, nhiệt, điện và hóa học của vật liệu, những ưu điểm mà hợp kim thông thường không thể mang lại.
Hiệu ứng khuếch tán chậm
Do cấu trúc của hợp kim có entropy cao đồng nhất về mặt vĩ mô và đường khuếch tán mà các nguyên tử yêu cầu phức tạp hơn nên nó có tốc độ khuếch tán thấp hơn, khiến nó có khả năng chống lại những thay đổi về độ ổn định nhiệt và chức năng tốt hơn.
Hiệu ứng cocktail
Hiệu ứng cocktail có nghĩa là sự cải thiện tính chất của hợp kim đến từ sự tương tác của ít nhất năm nguyên tố chính. Các đặc tính của HEA không chỉ đến từ các tính chất vật lý của các nguyên tố đơn lẻ mà còn đến từ sự tương tác và hiệu ứng kết hợp giữa các pha tổng hợp của chúng.
Thiết kế hợp kim và hình thành pha
Khác với các thiết kế hợp kim truyền thống, hợp kim có entropy cao tập trung vào việc ứng dụng tỷ lệ bằng nhau của nhiều thành phần. Theo truyền thống, việc lựa chọn một nguyên tố chiếm ưu thế có thể hạn chế hiệu suất của hợp kim. Hợp kim có entropy cao cực kỳ linh hoạt và linh hoạt về mặt này và các loại hợp kim mới có thể được thiết kế theo nhu cầu.
Trong quá trình hình thành pha của hợp kim, định luật pha Gibbs cung cấp cơ sở để xác định giới hạn số pha. Tuy nhiên, trên thực tế, nhiều hợp kim có entropy cao chủ yếu tạo thành một pha dung dịch rắn duy nhất, vượt xa mong đợi chung đối với các hệ thống nhiều thành phần. Hiện tượng này khai thác tiềm năng to lớn của các hợp kim có entropy cao, là chìa khóa cho khả năng đạt được các đặc tính vượt trội của chúng trong nhiều cách kết hợp thành phần khác nhau.
Nghiên cứu về hợp kim có entropy cao không chỉ vượt qua ranh giới của khoa học vật liệu mà còn kích thích nhu cầu và ứng dụng vật liệu mới trong mọi tầng lớp xã hội. Phải chăng điều này có nghĩa là chúng ta sắp bước vào một kỷ nguyên mới của cuộc cách mạng vật liệu kim loại?
