آلیاژهای آنتروپی بالا (HEAs) و آلیاژهای چند عنصر اصلی (MPEAs) یک کلاس انقلابی از مواد در زمینه متالورژی را نشان می دهند. این آلیاژها با ترکیب منحصربه‌فردشان مشخص می‌شوند که شامل مخلوط کردن نسبت‌های مساوی یا تقریباً مساوی چندین عنصر اصلی، معمولاً پنج یا بیشتر است. این رویکرد از روش‌های آلیاژسازی سنتی که در آن یک عنصر اولیه با مقادیر کمتری از عناصر ثانویه ترکیب می‌شود، متفاوت است.
اصطلاح “آلیاژ با آنتروپی بالا” توسط Jien-Wei Yeh به دلیل آنتروپی پیکربندی بالا که هنگام مخلوط شدن چندین عنصر به نسبت های تقریباً مساوی به دست می آید ابداع شد. این مفهوم برای اولین بار در سال 2004 از طریق آثار مهم Yeh و Brian Cantor57 معرفی شد. از آن زمان به بعد، HEA ها به دلیل خواص مکانیکی، شیمیایی و بیولوژیکی امیدوارکننده خود توجه قابل توجهی را به خود جلب کردند.
جلوه های اصلی آلیاژ با آنتروپی بالا
HEA ها چهار اثر اصلی را نشان می دهند که به ویژگی های استثنایی آنها کمک می کند:
- اثر آنتروپی بالا: آنتروپی اختلاط بالا فازهای محلول جامد را بر روی ترکیبات بین فلزی تثبیت می کند.
- انتشار کند: کاهش نرخ انتشار اتمی باعث افزایش پایداری در دماهای بالا می شود.
- اثر کوکتل (Cocktail Effect): تعاملات هم افزایی بین عناصر مختلف عملکرد کلی را بهبود می بخشد.
- اثر اعوجاج شبکه: عدم تطابق شعاع اتمی آلیاژ را از طریق تقویت محلول جامد تقویت می کند.
خواص و کاربردها
خواص مکانیکی
HEA ها اغلب نسبت مقاومت به وزن بالاتری نسبت به آلیاژهای معمولی نشان می دهند. آنها مقاومت در برابر شکست، استحکام کششی، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر اکسیداسیون را نشان می دهند. به عنوان مثال سیستم NbMoTaWV استحکام بالا اما چقرمگی کم را نشان می دهد. سیستم HfNbTaTiZr چقرمگی بالا اما استحکام کمتری را نشان می دهد. افزودن W یا Mo استحکام دمای اتاق را بهبود می بخشد و در عین حال چقرمگی را حفظ می کند.
خواص دمای بالا
برخی از HEA ها پایداری قابل توجهی را در دماهای بالا به دلیل اثرات انتشار کند نشان می دهند. آنها می توانند یکپارچگی ساختاری را تحت شرایط شدید بدون تخریب قابل توجه حفظ کنند.
مقاومت در برابر خوردگی
بسیاری از ترکیبات HEA به دلیل شیمی سطح پیچیده خود مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند.
برنامه های هسته ای
در محیط‌های هسته‌ای، برخی از ترکیبات HEA در برابر آسیب تابش انعطاف‌پذیری نشان می‌دهند و خواص مکانیکی مطلوبی برای کاربردهای ساختاری دارند.
تکنیک های ساخت
بر خلاف برخی از مواد پیشرفته که برای تولید به تجهیزات تخصصی نیاز دارند، HEA ها را می توان با استفاده از تکنیک های متالورژی معمولی مانند ریخته گری یا آلیاژسازی مکانیکی ساخت. این امر آنها را به عنوان کاندیدایی مناسب برای تولید انبوه بدون سرمایه گذاری قابل توجه در زیرساخت های جدید تبدیل می کند.
پیشرفت های اخیر
آخرین پیشرفت ها در توسعه آلیاژهای با آنتروپی بالا (HEAs) و آلیاژهای چند عنصر اصلی (MPEAs) چند وجهی هستند و تحقیقات مداوم در مورد خواص و کاربردهای منحصر به فرد آنها را منعکس می کنند. در ادامه برخی از تحولات کلیدی آورده شده است:
مدلسازی محاسباتی و بهینه سازی
تکنیک‌های یادگیری ماشین (ML): محققان مدل‌های ML را برای پیش‌بینی رفتار فاز و خواص مکانیکی HEAs با دقت بیشتری نسبت به روش‌های سنتی مانند نظریه عملکردی چگالی یا روابط تجربی توسعه داده‌اند. این مدل‌ها با بهینه‌سازی ترکیب‌های آلیاژ برای خواص مورد نظر، به کاهش تعداد آزمایش‌های مورد نیاز کمک می‌کنند.
شبکه های متخاصم مولد(GANs) : این شبکه ها برای تولید ترکیبات جدید با سختی افزایش یافته استفاده می شوند که پتانسیل کشف آلیاژهای جدید از طریق ابزارهای محاسباتی را نشان می دهد.
کاربردها
انرژی هسته ای
سیستم‌های هسته‌ای پیشرفته: HEAها برای استفاده در راکتورهای نسل چهارم، راکتورهای مدولار کوچک، سیستم‌های انتقال و دستگاه‌های همجوشی به دلیل الزامات ساختاری با کارایی بالا در حال بررسی هستند.
آلیاژهای نسوز آنتروپی بالا (RHEAs): این آلیاژها به دلیل استحکام مکانیکی عالی، مقاومت در برابر خوردگی و تحمل تابش، در کاربردهای با دمای بالا مانند راکتورهای هسته‌ای امیدوارکننده هستند.
کاربردهای الکتروشیمیایی
مواد الکترود: HEA ها به دلیل افزایش فعالیت کاتالیزوری و پایداری به عنوان مواد الکترودی امیدوارکننده برای فرآیندهای الکتروشیمیایی صنعتی ظاهر شده اند. آنها را می توان برای واکنش های الکتروشیمیایی خاص مانند واکنش تکامل هیدروژن (HER)، واکنش تکامل اکسیژن (OER) و غیره طراحی کرد.
ذخیره سازی هیدروژن
مطالعات اخیر HEAها را به‌عنوان مواد بالقوه برای ذخیره‌سازی هیدروژن جامد به دلیل ساختار متمایزشان که می‌تواند فرآیندهای جذب/واجذب هیدروژن کارآمد را تسهیل کند، برجسته می‌کند.
تکامل طراحی متریال
از ترکیبات هماتمی تا غیر هم اتمی: این زمینه از تمرکز صرف بر ساختارهای تک فاز هماتمی به سمت کاوش در ترکیبات غیر هماتمی که انعطاف پذیری بیشتری در خیاطی خواص مواد ارائه می دهند، تکامل یافته است.
معرفی عناصر دیرگداز: ترکیب عناصر دیرگداز منجر به RHEAها با بهبود عملکرد دمای بالا شده است و آنها را برای محیط‌های شدید مانند آنهایی که در موتورهای توربین یا راکتورهای همجوشی هسته‌ای یافت می‌شوند مناسب می‌سازد.
به طور خلاصه، پیشرفت‌های اخیر شامل استفاده از ابزارهای محاسباتی برای بهینه‌سازی ترکیب، گسترش حوزه‌های کاربردی در بخش‌های انرژی هسته‌ای و الکتروشیمی، کاوش در طرح‌های جدید مواد با عناصر نسوز، و بررسی کاربردهای جدید مانند ذخیره‌سازی هیدروژن است.
چشم اندازهای آینده
تحقیقات در مورد HEA ها به سرعت در حال گسترش است، زیرا دانشمندان ترکیبات جدیدی را با خواص مناسب برای کاربردهای خاص کشف می کنند:
- توسعه مدل های پیش بینی برای تشکیل فاز بر اساس ترکیبات عنصری.
- بررسی روش‌های جدید پردازش مانند ساخت افزودنی.
- بررسی کاربردهای بالقوه در زمینه‌های فراتر از بخش‌های هوافضا و انرژی.
در نتیجه، آلیاژهای با آنتروپی بالا به دلیل ترکیب منحصر به فرد خود از استحکام مکانیکی، پایداری حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری در فرآیندهای ساخت، یک راه امیدوارکننده برای نوآوری مواد با کاربردهای بالقوه در صنایع مختلف ارائه می‌دهند. تحقیقات در مورد رفتارهای این آلیاژهای پیچیده تحت شرایط و محیط های مختلف در حال توسعه و پیشرفت روزافزون است.
