全文速覽

研究背景

稀土高熵合金由于其較大的磁熱性能，近年來已得到許多關注。但其磁熱性能仍低于許多一級相變材料與稀土基合金，這極大限制了其在制冷領域的應用。多相結構有助于合金提升磁熱性能，重稀土元素間混合熱大部分為0，根據吉布斯自由能公式?Gmix=?Hmix −T?Smix（?Gmix, ?Hmix, ?Smix, T分別為吉布斯自由能、混合焓、混合熵、溫度），通過降低稀土高熵合金元素含量進而降低合金混合熵，將促進合金中多相結構的形成，此外，熔體抽拉過程中，合金熔體相對輥輪位置可分為自由表面區和接觸區，兩區域顯著的冷卻速率差異有助于制備具有多相結構的纖維材料。

通過復合多個外場引起的相變，多卡效應材料相比單外場引發相變材料具有更顯著的熱效應，即更大的等溫熵變和絕熱溫變。例如，相較于僅依賴磁場誘導相變的材料，復合磁場與壓力場引發相變的材料具有更大的等溫磁熵變值。此外，多卡效應還具有拓寬材料制冷溫區、降低相變誘導場強等優勢。研究磁場與壓力場對多相稀土高熵合金的復合作用對于推動稀土高熵合金在制冷領域的實際應用具有重要指導意義，而理解高壓條件下的結構演變對這一研究至關重要。

基于此，本文設計高熵合金成分Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅，并利用熔體抽拉技術制備合金纖維，使用金剛石對頂砧裝置向合金樣品施加壓力，壓力最大達52.15 GPa。采用原位同步輻射X射線衍射和透射電子顯微鏡研究合金在高壓過程中相變機制及微觀結構演變。本研究將有助于探索適用于固態制冷系統的新型高熵合金。

本文亮點

圖文解析

圖1、Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金透射電子顯微鏡(TEM)圖，(a)低倍明場像圖片；(b)高倍明場像圖片，橙色箭頭指向第二相；(c)圖為(b)圖選區電子衍射花樣。

圖2、Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金在壓縮至52.15 GPa后卸壓至0.15 GPa過程中原位獲得的同步輻射衍射曲線；基體相變過程存在的hcp、Sm-type、dhcp和dfcc相分別對應藍色文字、紫色圓形圖標、紅色菱形圖標和綠色正方形圖標；fcc第二相以橙色文字和線段表示。

圖3、Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金的(a)基體和(b)第二相原子體積隨壓力變化的結果，圖中紅色虛線為三階Birch-Murnaghan狀態方程擬合結果。

圖4、高壓試驗后Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金的TEM圖，(a)明場像圖片；(b)暗場像圖片；(c, d)高分辨TEM圖片；(e, f)快速傅里葉轉換結果分別對應(c)圖中的藍色虛框和(d)圖中的橙色虛框；(g)選區電子衍射花樣。

圖5、在加壓過程中Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金微觀結構演變示意圖。

總結與展望

Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金具有hcp基體與fcc第二相的雙相結構，其第二相晶粒尺寸與含量分別為~14 nm和~4.5%，第二相與基體界面為半共格；加壓過程中，基體相變順序為：hcp→Sm-type→dhcp→dfcc，而第二相未發生相變，在經歷加壓-卸壓循環后，基體結構恢復為hcp結構；第二相體積模量大于基體，這意味著第二相具有更強的抗壓縮能力；在壓力最大至52.15 GPa的加壓過程中，位錯增殖和移動使得合金發生大塑性變形，隨著壓力的增加，合金兩相之間的晶格參數失配度增大，使位錯在壓縮過程中繞過第二相。本文研究的高熵合金具有能量波動的晶格畸變，這既源于其本身固有的晶格畸變特性，亦源于其在壓縮過程中兩相界面產生的畸變。因此，在壓力誘導的大變形過程中，畸變晶格和低能位錯阻礙了位錯運動，導致位錯壁和位錯胞的形成；位錯胞的邊界傾向于演變為小角度或大角度晶界，促使亞晶的形成，最終顯著減小基體的晶粒尺寸。這些結果有助于加深對雙相高熵合金在高壓條件下結構演變的理解，并為多卡效應材料的規模化應用提供有效策略。

作者介紹

尹航博策，中國科學院寧波材料技術與工程研究所助理研究員。主要從事高性能稀土非晶、高熵磁熱材料的設計與開發、結構演變機制及性能優化機理研究。主持國家自然科學基金青年科學基金項目、浙江省自然科學基金探索青年項目、寧波市自然科學基金一般項目，參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金區域創新發展聯合基金、寧波市“科創甬江2035”關鍵技術項目；以第一/通訊作者身份在Journal of Materials Science & Technology、Materials & Design、Science China Materials、Journal of Alloys and Compounds、Scripta Materialia等國際學術雜志發表SCI論文10篇；申請國家發明專利4項，授權3項。

張凱，北京高壓科學研究中心（上海分中心）研究員。長期從事極端條件下無序態物質研究，包括非晶態半導體、相變存儲材料、非晶合金和高熵合金等先進無序態材料。主持國家自然科學基金和博士后基金，相關工作發表在Nature Materials，Physical Review Letters，Nature Communications，Physical Review B, Applied Physics Letters等國際期刊上。

霍軍濤，中國科學院材料技術與工程研究所研究員，博士生導師，國家優青、浙江省杰青、寧波市十大杰出青年、獲得中國材料大會非晶與高熵分會頒發的“杰出青年科學家”獎，入選中國科學院青年創新促進會優秀會員，擔任浙江省兵工學會副理事長、寧波市青年科學技術協會會長、寧波市青年聯合會副主席、寧波市材料學會副理事長。主持國家自然科學基金優秀青年基金、區域創新發展聯合基金、面上和青年基金項目，浙江省杰出青年科學基金以及寧波市“科創甬江2035”等多個科研項目并參與國家重大科研儀器研制項目和國家重點研發計劃。在Proceedings of the National Academy of Sciences、The Innovation、Advanced Materials、Nature Communications、Advanced Functional Materials、Acta Materialia、Physical Review Letters、ACS Catalysis等國際頂級期刊發表SCI論文100余篇；申請發明專利47項，授權17項。相關成果被中央電視臺“新聞30分”、“新聞聯播”、人民日報、科技日報、新華網、Science等報道，入選國家基金委基金要聞、寧波市科技創新十件大事、中國科學院上海分院基礎研究十大進展、中國科學院大學年度十大新聞等。擔任Materials Futures和Materials Research Letters青年編委，并擔任Nature Communications、Nano letters、APL Materials、Journal of Alloys and Compounds等多個國際知名期刊的審稿人。在國際塊體非晶合金會議、亞洲磁學聯盟會議、中國材料大會、中國鋼鐵年會、全國磁學和磁性材料會議、中國物理學會非晶材料年會等國內外學術會議做邀請報告14次，并多次擔任分會主席。

黃永江，哈爾濱工業大學教授，博士生導師，英國皇家學會牛頓學者、美國金屬學會會員、中國金屬學會非晶合金分會委員。主持或參與973、國家自然科學基金(7項)、國家部委基礎加強重點項目、國家重大科研儀器研制項目、高檔數控機床與基礎制造裝備專項、部委預研基金、國家863計劃等50余項科研項目，獲省部級科技獎勵2項。在Advanced Materials、International Journal of Plasticity、Acta Materialia等國際著名學術雜志上發表SCI論文230余篇，論文被Science等權威雜志引用6200余次，ESI高被引3篇，H因子40；申請國家發明專利79項，授權55項；Nature、Nature Materials、Nature Communications、Materials Today等100余種國際學術期刊的審稿人；Journal of Materials Science & Technology、Rare Metals、The Innovation等6種國際期刊編委/青年編委；在國際、國內學術會議做邀請報告50余次。

引用本文