静电纺丝法制备SnSbCuFeZn高熵合金/碳纳米纤维复合负极材料

采用静电纺丝技术,结合煅烧工艺,将SnSbCuFeZn高熵合金纳米颗粒均匀地锚定在导电互联的碳纳米纤维中,成功制备了SnSbCuFeZn@CNFs锂离子电池复合负极材料。结果表明,煅烧温度对材料的物相组成和形貌特征有重要影响,且直接影响SnSbCuFeZn高熵合金纳米颗粒的晶相、尺寸和分布,决定SnSbCuFeZn@CNFs电极的电化学性能。其中SnSbCuFeZn@CNFs-900电极展现出优良综合性能:0.1 A/g时,初始放电比容量达1232.8 mA/g,循环200次后可逆放电比容量保持在786.0 mA/g;1.0 A/g时,循环500次后放电比容量仍有433.8 mA/g;2.0 mV/s扫描速度下,赝电容贡献率高达93.37%。

金属/高熵合金纳米多层膜的制备、微观结构及力学性能研究进展

通过表面防护涂层技术制备综合力学性能与摩擦性能优异的涂层材料,对降低构件因碰撞摩擦磨损所引起的损伤失效问题十分重要。相较于单层膜结构防护涂层,金属纳米多层膜涂层材料由于其微观组织结构的独特性与可控性,表现出优异的服役特性,且其综合性能可通过结合新组元或界面调控得到进一步提高,因此该类材料受到了广泛关注。新颖的成分设计理念使得高熵合金具有独特的四大效应,即高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和性能鸡尾酒效应,进而呈现出良好的综合性能。因此,在传统的双金属纳米多层膜结构材料中引入高熵合金组元,形成金属/高熵合金纳米多层膜,有望突破传统金属纳米多层膜的性能局限,极大地提高多层膜结构材料的力学性能。从功能基元序构的视角,围绕近几年金属/高熵合金纳米多层膜的相关研究,首先介绍了其制备方法和工艺原理,针对功能基元微观结构特征,从晶粒形貌、界面结构、组元成分等方面进行了阐释,在此基础上论述了其力学行为以及相应的内在机制,并提出了调控金属/高熵合金纳米多层膜力学性能的优化策略,最后对金属/高熵合金纳米多层膜的未来研究方向和面临的挑战进行展望。

L1_(2)型纳米有序相析出强化(FeNiCoCr)_(93)Al_(5)Ti_(2)高熵合金

L1_(2)型纳米有序相析出强化面心立方结构高熵合金有望获得理想的强度-延性平衡。受此启发,本工作采用热压成形技术制备了一种L1_(2)型纳米有序相析出强化的(FeNiCoCr)_(93)Al_(5)Ti_(2)高熵合金。研究发现,该合金由FCC基体相、少量富Cr相及富Fe相组成,其中基体相晶粒内析出呈圆球状L1_(2)型结构的Ni_(3)(Al,Ti)颗粒,L1_(2)有序析出相与基体相呈共格关系。经估算,有序相强化对高熵合金屈服强度的贡献增量达221.0 MPa,远高于共格弥散强化和模量错配强化。(FeNiCoCr)_(93)Al_(5)Ti_(2)高熵合金具有优异的压缩性能,其工程屈服强度、压缩强度和压缩应变分别为717 MPa、2304 MPa和44%。

纳米多孔NiFeCoTi高熵合金电极的析氢反应性能

开发高效、稳定的电催化剂用于电化学水分解制氢至关重要。通过合金化和脱合金化法制备了纳米多孔NiFeCoTi高熵合金电极,并对其碱性析氢反应性能进行了研究。结果表明:该电极具有柱状纳米多孔结构,能够促进电催化反应过程中的电子传递和质量运输,表面的NiFeCoTi高熵合金可以提供双功能的电催化活性位点,促进水的解离和氢中间体的吸附/结合。在1 M KOH电解液中,纳米多孔NiFeCoTi电极在~111 mV的过电位下就能够达到400 mA/cm^(2)的电流密度,具有较低的Tafel斜率和优异的长期稳定性。

间隙原子及颗粒对激光增材制造高熵合金微观结构与力学性能影响的研究进展

近年来,高熵合金(HEAs)由于其独特的多主元设计理念和优异的性能获得了研究者的广泛关注。激光增材制造能够获得具有超细晶和多尺度结构的高熵合金,使其具有优异的力学性能。同时间隙原子的掺杂及增强颗粒的添加有助于进一步改善合金的强塑性,在航空航天高性能结构材料等领域应用前景开阔。基于此,首先介绍了选区激光熔化技术和激光定向能量沉积技术的原理和特点;然后,总结了间隙原子(C、B、N)及增强颗粒对激光增材制造高熵合金微观组织及力学性能的影响,并分析了各个间隙原子及增强颗粒对合金的强塑化机理;最后对激光增材制造高强塑性高熵合金的发展前景做了展望。

高熵合金颗粒增强铝基复合材料研究进展

近年来,随着我国航空航天、轨道交通和新能源汽车等领域技术的不断进步,人们对轻质高强材料的需求日益迫切.铝基复合材料因优异的比强度和耐磨性能,在这些领域具有广泛应用前景.传统陶瓷颗粒增强的铝基复合材料存在界面结合差、塑性变形能力低等问题.高熵合金颗粒因具有高强度、良好的界面润湿性和优异的深冷力学性能,成为铝基复合材料增强相的新选择.文中首先介绍了近年来高熵合金颗粒增强铝基复合材料的研究进展,接着分析了高熵合金颗粒增强铝基复合材料的制备工艺.最后,对深冷轧制工艺制备高熵合金颗粒增强的铝基复合材料进行了介绍,分析了深冷轧制工艺在制备该复合材料过程中减少缺陷产生、提高力学性能的机制.

拉伸方向对高熵合金纳米线变形机制的影响

体心立方结构(bcc)高熵合金的低塑性是制约其应用的关键问题,所以针对其塑性变形机制的研究具有重要意义。以往的研究仅聚焦在多晶块体体系,缺乏取向对纳米尺度单晶bcc高熵合金塑性变形机制的相关研究。通过分子动力学方法模拟了HfNbTaTiZr高熵合金纳米线在[111]和[112]两个方向下拉伸产生塑性变形时的力学行为和微观机制。结果表明:不同于之前的研究塑性变形主要由螺位错活动主导理论,沿不同方向下拉伸均发生从bcc到hcp(密排六方结构)的相变;且沿[112]方向拉伸时,在hcp相中会产生fcc(面心立方结构)相及bcc原子团簇,导致纳米线加工硬化及塑性降低;沿[111]方向拉伸时,在hcp相中会产生新的bcc相,并逐渐取代hcp相,最终令该方向的纳米线体现出大塑性。上述发现,对于bcc高熵合金的强韧性设计提供了重要了实验指导及理论依据。

高温热冲击制备用于催化反应的高熵合金纳米颗粒

先进功能材料的研发与合成技术的进步密切相关,因此合成过程中动力学和热力学参数的精准控制对于材料的制备至关重要.传统的高温制造工艺(比如马弗炉、管式炉),由于缓慢的升温和降温速率(0-1K s^(-1)),可以视为由热力学主导的、时刻处于平衡状态的加热过程,由此制备的产物大多具有最低的吉布斯自由能和稳定的原子排列,属于热力学产物.为了打破缓慢升降温速率导致的热力学限制,以动力学为主导的、具有超快升降温速率的高温热冲击(HTS)的合成方法在近年被广泛研究.与传统的高温制造工艺不同,HTS在瞬间通过巨大的能量驱动,可以在秒或毫秒的时间内达到3000 K的峰值温度,具有超快的升降温速率(≥10^(5)K s^(-1)),而且,该方法制备的产物大多只在局部范围内有极小的吉布斯自由能,并非最稳定的状态,是热力学不稳定的产物.这种动力学主导的特征,使其在新型材料(比如常规方法无法获得的高熵成分、热力学亚稳相和表面富缺陷)的探索及可控制备中展现出巨大的优势.在HTS合成所取得的重要进展中,高熵合金(HEAs)纳米颗粒由于具有灵活的组成空间和高熵混合结构,在多相催化反应中展现出较好的活性、选择性以及稳定性,从而受到越来越广泛的关注.HEAs是由5种或5种以上元素以近摩尔比的形式获得多主元合金,由于多种组分导致的高熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应和“鸡尾酒”效应,HEAs被认为是理想的催化剂,但是由于传统方法制备的HEAs多为尺寸较大的大块合金,具有较低的比表面积,这极大地限制了其在催化领域的应用.HTS超高的冷却速率可以抑制HEAs的粗化或者相分离,从而制备得到纳米级别的HEAs,有效解决了上述问题.尽管近年来有很多关于HTS和HEAs的相关研究,都未在本质上探讨HTS的相关机理.基于此,本文从能量-空间-时间的角度出发,在根本上探讨了HTS的物理化学原理,全面介绍了具有代表性的HTS技术(焦耳加热、激光加热、微波加热)的设备及机理,总结了HTS制备催化剂相比于传统的热力学主导的近平衡加热方法的优越性,旨在促进新兴的HTS技术进步;同时介绍了HEAs的概念和特点,总结了利用HTS技术制备HEAs及其衍生物的最新进展;最后,对HTS和HEAs的未来研究方向做了总结与展望.综上,本文旨在对推进HTS和HEAs的发展、整合二者的优势做出贡献.

WC颗粒对激光熔覆FeCoCrNiCu高熵合金涂层组织与硬度的影响

采用CO2横流激光器制备添加WC颗粒的FeCoCrNiCu高熵合金涂层,研究WC含量对涂层的组织结构及硬度的影响。结果表明:不同WC含量的高熵合金涂层均由简单的面心立方结构(FCC)和体心立方结构(BCC)两相组成。随着WC含量的提高,涂层中FCC相含量不断减少,BCC相含量不断增加。WC颗粒在激光熔覆过程中发生溶解并完全溶入FCC相和BCC相中,并未引起复杂碳化物相的生成。不同WC含量的涂层均为树枝晶组织。激光熔覆过程中的快速凝固条件有利于抑制枝晶和枝晶间的成分偏聚。WC含量的提高使枝晶细化,硬度提高。

WC颗粒对激光熔覆FeCoCrNiB高熵合金涂层组织结构与耐磨性的影响

采用CO2横流激光器制备添加WC颗粒的FeCoNiCrB高熵合金涂层,研究WC颗粒对涂层组织结构和耐磨性能的影响。结果表明:未加WC时,涂层由条状M3B相和基体fcc相两相组成。当WC含量为5%时,涂层中出现M3C相,涂层由M3B相、fcc相和M3C组成。当WC含量为10%时,涂层组织发生较大变化,变为枝晶组织,其中枝晶对应M23(C,B)6相,枝晶间由网状M7(C,B)3相和fcc相组成。WC含量为20%时,涂层仍为枝晶组织,枝晶对应M23(C,B)6相,枝晶间中网状组织消失,枝晶间为fcc相。随着WC含量的增加,涂层的硬度和耐磨性能提高。

非晶纳米高熵合金薄膜Nd-Fe-Co-Ni-Mn的电化学制备及磁学性能

通过电沉积方法在室温下制备了具有纳米结构组织的Nd-Fe-Co-Ni-Mn高熵合金磁性薄膜。通过改变电沉积参数,如沉积电位、沉积时间,可控制薄膜的纳米结构及表面形貌。扫描电子显微镜观察结果表明,在Ti基体上,-2.2 V下沉积5 min可制备出大小在200 nm左右的均匀分布的球形颗粒薄膜,延长沉积时间会使薄膜变得更加致密,而沉积电位的负移会导致纳米片的出现。能谱结果表明5种元素发生了共沉积,结构分析表明该薄膜是无定形态的。稀土元素Nd与过渡金属发生共沉积,可能是由于过渡金属离子与二甲基亚砜形成多核配位化合物而使得过渡金属离子沉积电位负移所致。Nd-Fe-Co-Ni-Mn高熵合金薄膜在室温下具有良好的软磁性能。

AlCrTaTiZrN_x高熵合金纳米涂层的微观组织和力学性能研究

通过热压方法制备AlCrTaTiZr高熵合金合金靶材,采用磁控溅射方法在抛光后Si基体表面制备AlCrTaTiZrNx高熵合金涂层,并用扫描电镜、X射线衍射和纳米压痕仪等研究了靶成分、相结构及涂层的微观形貌、成分和常规力学性能。结果表明,AlCrTaTiZr高熵合金靶材为体心立方结构,AlCrTaTiZrNx高熵合金薄膜均匀致密,未通入氮气的薄膜为非晶态,通入氮气的薄膜晶体结构均为简单的面心立方结构。当氮气流量百分比为10%时,薄膜力学性能最好,其硬度和杨氏模量分别达到了22.9GPa和234.77GPa。

Al_(0.3)CoCrFeNi纳米晶高熵合金在碱性溶液中的电化学性能

通过高压扭转方法制备了平均晶粒尺寸为30nm的Al_(0.3)CoCrFeNi纳米晶高熵合金,利用电子背散射衍射仪、透射电镜、动电位极化曲线和交流阻抗谱测试等方法研究了其显微组织和在NaOH溶液中的电化学性能,并与铸态粗晶高熵合金进行了对比。结果表明:粗晶和纳米晶高熵合金的显微组织均为简单面心立方结构,但纳米晶高熵合金的位错密度较粗晶高熵合金的提高了近10个数量级;同时,相比于粗晶高熵合金,纳米晶高熵合金的自腐蚀电流密度降低了42.9%,维钝电流密度降低了21.6%,表现出优异的耐腐蚀性能,这主要归因于高压扭转过程引入的高密度晶界和位错;通过高压扭转使晶粒细化至纳米级是增强高熵合金耐碱腐蚀能力的一个有效途径。

Fe_(25)Co_(25)Pt_(25)B_(25)高熵纳米复相永磁体的组织结构与磁性能

采用液态急冷法制备了高熵Fe_(25)Co_(25)Pt_(25)B_(25)合金,研究了其热处理前后的组织结构及磁性能。结果表明:Fe_(25)Co_(25)Pt_(25)B_(25)高熵合金具有较高的非晶形成能力,液态急冷合金形成了非晶态结构,表现出软磁特性。Fe_(25)Co_(25)Pt_(25)B_(25)高熵非晶合金热处理结晶化过程为:非晶相→非晶相+fcc-(Fe,Co)Pt相→非晶相+fcc-(Fe,Co)Pt+L1_(0)-(Fe,Co)Pt+(Fe,Co)2B相→非晶相+L1_(0)-(Fe,Co)Pt+(Fe,Co)2B相→L1_(0)-(Fe,Co)Pt+(Fe,Co)2B相。经843 K热处理900 s后,Fe_(25)Co_(25)Pt_(25)B_(25)合金形成了由有序面心四方结构的永磁L1_(0)-(Fe,Co)Pt相和软磁(Fe,Co)2B相组成的纳米复相组织,平均晶粒尺寸约为19 nm,表现出纳米复相永磁体特性,其矫顽力(iHc)、剩磁(Br)、剩磁比(Mr/Ms)和磁能积((BH)_(max))分别为946.8 kA·m^(-1)、0.46 T、0.78和40.9 kJ·m^(-3)。其超大iHc主要是高熵化使L10相的c/a增大导致磁晶各向异性增大的结果。

静电纺丝法制备高熵合金及其蔬果中重金属离子电化学传感应用

采用静电纺丝结合高温石墨化技术,以静电纺丝碳纳米纤维(carbon nanofibers,CNFs)串联多金属,再通过高温石墨化技术成功在碳纳米纤维上原位合成了均一的高熵合金纳米颗粒(high-entropy alloy nanoparticles,HEA NPs)。基于FeCoNiCrCe/CNFs构建的重金属离子电化学传感器能实现同时对3种重金属离子的灵敏检测。在pH 5的0.1 mol/L醋酸-醋酸钠缓冲液中,沉积电压和时间分别为-1.3 V和300 s条件下,本研究所构建的电化学传感器对Cd^(2+)、Pb^(2+)和Cu^(2+)的检测限分别为0.06、0.005μmol/L和0.005μmol/L(信噪比=3)。分析认为其优异的性能归因于特定的HEANPs提供了良好的导电性和催化活性,以及CNFs较高的比表面积暴露出更多活性位点,二者的协同作用有利于重金属离子的吸附和脱附,促进了重金属离子的氧化还原反应以及电荷转移。本研究所制备的FeCoNiCrCe/CNFs/GCE电化学传感器在蔬果中检测重金属离子领域具有一定应用前景。

Al含量和加载速度对Al_(x)CoCrFeNi高熵合金的影响及分子动力学仿真

通过分子动力学(MD)仿真从硬度、Von Mises应力、剪切应变、位错和相变方面研究了纳米压痕过程中Al含量和加载速度对Al_(x)CoCrFeNi高熵合金(HEA)力学性能的影响。研究结果表明Al含量较少时,HEA内部形成原子剪切带较多,总位错长度和位错密度较大。加载速度较大时大量位错缠结产生高密度的位错胞,阻碍位错滑移,带来显著的强化效应。Al含量与硬度成反比,而加载速度与材料的硬度成正比。此外,在纳米压痕初期,所有HEA发生可恢复的弹性变形。压痕深度增加,材料开始发生塑性变形,位错形核生长。由于压头力的作用,材料内部原子重新排列,FCC结构逐渐转变为BCC结构,HCP结构和无序结构。与压头相接触的区域原子应变较高并且率先转变为无序结构。经过多次加载-卸载循环,弹性变形逐渐转变为塑性变形,合金中残留的应力变多,Al_(x)CoCrFeNi HEA表现出明显的循环劣化现象。

SiC颗粒对AlCoCrFeNi高熵合金涂层显微组织与力学性能的影响

应用激光熔覆技术制备了Al CoCrFeNi高熵合金涂层,研究了不同Si C添加量对涂层组织、硬度及耐磨性的影响。结果表明:Al CoCrFeNi高熵合金涂层由面心立方结构(FCC)和体心立方结构(BCC)两相组成。添加Si C生成了Cr2Fe14C相,但是抑制了Cr基FCC相的生成。随着Si C含量的增加,熔覆层的缺陷减少且组织形貌发生改变,主要是由晶内BCC、晶间Cr基FCC相和白色析出物组成,其中,白色析出物为Cr2Fe14C相和未熔化的Si C颗粒,且分布在晶间。Si C的加入可以显著提高涂层的硬度及耐磨性,随着Si C含量的增加,涂层的硬度及耐磨性会随之增加。

采用深冷异步轧制提高高熵合金颗粒增强铝基复合材料的力学性能

为了获得更高性能的铝基复合材料(AMCs),采用室温异步轧制(AR,298 K)和深冷异步轧制(ACR,77 K)制备高熵合金颗粒增强铝基复合材料带材。通过拉伸实验、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对铝基复合材料的力学性能和微观结构进行分析。结果表明,深冷异步轧制比室温异步轧制更能提高复合材料的力学性能。深冷异步轧制含3%(质量分数)高熵合金颗粒的铝基复合材料的抗拉强度达到253 MPa,比室温异步轧制复合材料提高13.5%。与室温异步轧制相比,深冷异步轧制的复合材料具有更少的微孔洞、更细小的晶粒尺寸和更高的位错密度。深冷异步轧制复合材料微缺陷的减少是因为铝基高熵合金颗粒复合材料在深冷环境中具有合适的体积收缩效应。

纳米WC对AlCoCrFeNi高熵合金涂层耐磨与耐蚀性能的影响

AlCoCrFeNi高熵合金具有良好的力学性能、耐磨性能以及抗蚀性能,可作为易损零部件的涂层材料。为进一步提高AlCoCrFeNi涂层性能,本工作通过机械混粉的方式对AlCoCrFeNi和AlCoCrFeNi+WC(5%)(添加5%质量分数的碳化钨)高熵合金粉末进行预处理,在45#钢表面通过激光熔覆制备了涂层,并对比研究了两种涂层的表面形貌、微观组织、元素分布、显微硬度、摩擦磨损及耐蚀性能。结果表明,AlCoCrFeNi+WC(5%)涂层表面粗糙度更低,涂层仍为体心立方结构(BCC/B2),且其晶粒组织得到了细化,W元素和Cr元素富集在晶界处,因细晶强化和第二相强化效应共同作用,涂层平均显微硬度从500HV提高到了600HV。选用直径为4 mm的Si_(3)N_(4)小球作为摩擦副,在10 N的载荷下测试30 min。与AlCoCrFeNi涂层相比,WC的掺杂使摩擦系数从0.8减小到0.6,磨损失重减少了0.84 mg,磨损划痕宽度和深度较小,磨损程度较轻。在3.5%(质量分数)NaCl溶液的电化学测试中,经过WC掺杂的涂层的自腐蚀电位提高了0.042 V,自腐蚀电流密度降低了一个数量级,同时该涂层表现出较大的电容弧直径,且测试后表面腐蚀坑明显减少,腐蚀程度较轻。这表明纳米WC的添加有效提高了AlCoCrFeNi高熵合金涂层的耐磨与耐蚀性能。

纳米晶CoNiCrFeMn高熵合金力学性能的原子尺度分析

对纳米晶(单晶、多晶)CoNiCrFeMn高熵合金的力学性能评估有助于理解高熵合金材料物性,更好地服务于核反应堆包壳管、航空发动机、喷气涡轮叶片等国防应用领域发展.本文提出对纳米晶CoNiCrFeMn高熵合金微结构演化与力学性能间的相关性展开研究.基于纳米压痕法,研究了纳米晶高熵合金和纳米晶镍的变形行为与力学性能,比较了使役温度对纳米晶CoNiCrFeMn高熵合金和纳米晶Ni的力学性能与微结构演化差异.结果表明:单晶高熵合金力学性能(最大承载荷、硬度、杨氏模量、接触刚度)优越于单晶镍主要源于单晶高熵合金外形呈鼓包式结构内的位错滑移与拓展传播受到局限域的阻滞作用.极端低温5 K下的材料力学性能表现最佳,多晶Ni相比单晶Ni的最大承载荷、硬度、杨氏模量、接触刚度降幅分别达28.9%,20.27%,32.61%,36.4%;多晶CoNiCrFeMn高熵合金相比单晶CoNiCrFeMn高熵合金的最大承载荷、硬度、杨氏模量、接触刚度降幅依次达21.74%,23.61%,23.79%,22.90%.此外,多晶高熵合金力学性能相比单晶高熵合金对温度敏感性更强,其力学性能随温度升高近似线性下降.对多晶高熵合金和多晶镍而言,晶界不仅是位错滋生、拓展、繁衍的起源区,更是萌生缺陷、产生裂纹拓展与失效的集中域.受应力驱动晶界边缘的微结构演化和缺陷存在,多晶材料力学性能弱于单晶材料.