高熵合金——不惧严寒酷暑的新型材料
北京科学中心2019-08-09 00:59
当下各种具有神奇特性的新型材料层出不穷，石墨烯、碳纳米管、高熵合金等词汇不断地出现在人们的日常生活里，也有人说21世纪是生物技术与材料科学的时代。
本期《大咖面对面》，我们邀请到了北京科技大学数理学院副教授田付阳老师，为大家介绍神奇的新型材料。
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问题一：当下有哪些新型材料？
新型材料种类非常多，目前比较热门的有：高熵合金、金属玻璃、能源材料、层状材料，以及拓扑绝缘体。
问题二：什么是高熵合金？
高熵合金中的“熵”是一个重要的概念。熵表示一个体系内的混乱程度，越混乱熵就越高，越有秩序熵就越低。
根据热力学第二定律，在自然界中，一切孤立的系统都会向熵增大的趋势发展。
也就是说，由许许多多物体组成的整体，不考虑外界的影响时，不管之前多么地井然有序，随着时间推移，总是会变得越来越混乱。
合金是由不同的原子构成，包括金属原子和非金属原子。合金内部的原子种类越多，原子互相之间排列得越混乱、越无序，合金的熵就越高，我们称这种熵为合金的“组态熵”。
高熵合金，顾名思义，就是组态熵很高的合金，其内部微观结构混乱，原子排布随机、无序。
这种合金是通过对高温液态金属快速冷却（快速淬火）实现的。当合金处于液态时，其内部的原子运动十分剧烈，排列也十分地随机，如果此时缓慢地给合金降温，使其凝固，原子会重新排列，相对整齐地排在一起，凝固成普通的合金。
如果快速为液态合金快速降温，其内部的原子还没来得及重新排列就因为凝固，被固定在了各自的位置，其排列方式依然像液态时那样随机、无序，形成高熵合金。
这个时候，合金就具备了一些良好的性质，比如说低温下塑性比较好，不容易因温度过低而脆裂，高温下强度也很高，依然具有较高的机械强度。
问题三：高熵合金中的“熵”是什么意思？
刚才已经介绍过，高熵合金的组态熵较大，内部原子排列十分随机、无序，而这种无序具体体现在微观构型上。
我们先来看普通的金属，普通金属内部原子排列得十分整齐。如果我们把金属中的几个原子看作一个小整体，把它平移一段距离，你会发现，这个小整体竟然能与其他位置的原子重合。
整个金属就好像是由它不断复制粘贴而来的，我们称这样的结构具有平移对称性。
而高熵合金则不具备这种性质，无论取什么形状的小整体，都无法通过平移与其他部分重合。
高熵合金内部不同地方各有各的构型，有的可能是四面体，有的可能是立方体，微观构型的种类复杂、繁多。此时我们称高熵合金的组态熵很高。
问题四：高熵合金能应用在哪些领域？
所谓坚固的材料，是指该材料的塑形强，容易被人们加工，同时强度要强，不易脆裂、破碎。此外，材料适用的温域要足够宽，无论在高温还是极低的温度下，依然具备以上良好的性能。高熵合金便具备这样的特性。
太空中被阳光照射的地方温度极高，而没有被太阳照射到的地方却极度地寒冷。因此高熵合金可以很好地应用在航空航天、太空探索领域。
问题五：还有哪些新型材料？
目前，人们研究的层状材料比较多。层状材料中，石墨和石墨烯又是一大研究的热门。
石墨在自然界中有两种不同的堆垛方式，既有ABAB堆垛，又有ABCABC堆垛。铅笔芯就是由石墨构成。
现在，人们研究更多的是石墨烯。实际上石墨烯就可以认为是仅有可数的几层的石墨，它里面各层之间的排列就会对其性质产生很大的影响。
问题六：层状结构的材料可以应用到哪些领域？
像石墨就被用在了核材料里面，它能够缓冲中子的速度，使中子的速度慢下来，有效控制核反应的剧烈程度，保证核电站内核反应的安全可控。
另外，石墨也是一个很好的导电材料，可应用在电池里面，我们现在用的汽车电池，其电极材料就是石墨。
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