当下具有许多新奇特性的新型材料层出不穷，时不时有些新概念的材料横空出世，迅速吸引各界研究者的眼光，在某些领域发挥着“鸟枪换大炮”的作用，成为市场的新宠，让人感叹科技发展的日新月异。

例如曾经的石墨烯，越来越举足轻重的碳纤维，吸引众多目光的金属陶瓷、金属玻璃，各类型的新型能源材料，准晶非晶，低维材料……

而高熵合金也是这样一种备受关注的合金材料界“新秀”。

高熵合金靶材

什么是高熵合金？

这个“熵”大家并不陌生，在热力学上，熵是表征系统混乱度的一个参数：系统的混乱度越大，则熵值就越高。换在合金材料体系中，当原子的排列紧凑有序时，合金体系处于“低熵”的状态；当原子处于“自由活动”的无序状态时，合金体系则处于“高熵”状态。

高熵合金就是比传统合金熵值更高的合金，指的是在原子尺度上的化学无序或者拓扑无序，即合金的原子排列混乱度高，处于一个无序状态。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。

高熵合金内部构型示意图

之前的金属合金，常常是基于一个主要元素（含量超过50%），并在此基础上添加微量元素，但高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)是由5种以上元素组元按照等原子比或近等原子比合金化，一般形成固溶体的一类混合熵较高的合金。

由于具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应、性能上的鸡尾酒效应，容易获得热稳定性高的固溶体相和纳米结构甚至非晶结构，高熵合金具有高强度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蚀性等传统合金所不能同时具备的优异性能，成为近些年来最有发展潜力的新材料之一。

传统的合金材料库已经无法完全满足越来越严苛的应用场景，例如喷气式飞机引擎叶片必须要承受极高的温度，同时还要承受飞速的旋转带来的巨大离心力，这就意味着叶片材料必须在高温下仍然能保持一定的强度，所以这就是高熵合金的巨大研究价值。

目前，高熵合金的概念已经扩展到了高熵陶瓷，高熵薄膜，高熵钢，高熵高温合金，铝镁系高熵轻质合金，高熵硬质合金等。

高熵合金的分类

1.过渡元素高熵合金

过渡元素高熵合金以Al、Mg、Co、Cu、Cr、Fe、Mn、Ni，Ti、Sn 和 Zn 等作为主元素，其中AlCrFeNi、CoCrFeNi、AlCoFeNi、AlCoCrNi和AlCoCrFe是目前过渡元素高熵合金中采用最多的元素组合。

过渡元素高熵合金基本都是 BCC 结构相（脆性相）或 FCC 结构相（塑性相）的固溶体合金，一开始研究的高熵合金基本都是过渡元素高熵合金。

部分常见过渡元素高熵合金和常见合金拉伸性能对比

（a）屈服强度随温度变化；（b）抗拉强度随温度变化；

2.难熔高熵合金

随着航空航天飞行器飞行速率的提高，高温承载结构和热防护结构对耐高温材料使用温度和性能的要求也越来越高，难熔高熵合金以其独特的组织结构和优异的高温性能成为重要的候选材料之一。

难熔高熵合金主要是以难熔金属元素 Mo、Ti、V、Nb、Hf、Ta、Cr、W、Zr 以及 Al 等为主元素，这类高熵合金具有优异的高温性能。与传统高温合金相比，难熔高熵合金在使用温度和综合力学性能方面具有独特的优势。

为进一步降低难熔高熵合金的密度、改善高温力学性能以及高温抗氧化性，近年来含低密度元素和抗氧化元素的难熔高熵合金逐渐成为研究热点。

3.高熵高温合金

单相高熵合金虽然具有优异的室温力学性能，但其高温强度却无法令人满意。早期难熔高熵合金的密度较高，无法满足航空航天领域对轻质耐高温结构材料的要求，随着轻金属元素 Al、Ti 等的加入，难熔高熵合金的密度显著降低，但在单相基体上形成了析出相。

高熵高温合金是一类以 FCC 或 BCC 固溶体为基体，在基体上均匀分布着晶体结构相似的有序第二相的高熵合金，第二相起到析出强化作用。

4.共晶高熵合金

传统高熵合金都是 FCC 结构或 BCC 结构的单相合金，难以兼具高强度和高塑性，同时高熵合金的铸造性能差，铸造宏/微观偏析严重，限制了高熵合金的工业化应用。

共晶高熵合金兼具了共晶和高熵合金的优点，具有优异的强度和塑性、良好的高温蠕变抗力、低能相界且组织可控。

5.高熵非晶合金

高熵非晶合金被定义为由五种或者五种以上元素等/近等原子比形成的非晶合金，与传统单一主元素的非晶合金相比，高熵非晶合金具有更高的混合熵。

高熵非晶合金的出现，极大地扩展了非晶合金的应用，其在磁制冷、软磁性、生物医用、比强度等方面具有显著的优势。

高熵合金有哪些应用？

1.高熵软磁材料

软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。经研究表明，一些高熵合金体系具有优异的软磁性能。同时，可以解决目前常规软磁材料的力学性能差，铸造性能不稳定的缺陷；在电机、变压器等工业领域展现出了非常大的发展潜力。

软磁材料

2.高温合金材料

高温合金是指能够在高温及一定应力条件下长期工作的金属材料，需具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，是发动机热端部件不可替代的关键材料。

高熵合金在高温的条件下，具有非常优异的高温稳定性和抗氧化性，这为一些在极端环境服役下的器件研发提供了新的方向。如在发动机叶片，高温服役工程材料上，高熵合金均展现出了非常大的发展潜力。

高熵合金用于发动机叶片

3.硬质刀具涂层

硬质刀具涂层是指通过在硬质合金刀片的表面上涂覆一层高硬、耐磨的合金薄层，作为常用的车、铣、刨、磨常用工具刀的保护涂层。高熵合金的高硬、高强的特点刚好可以满足这一材料的需求。

用于刀具涂层

4.高熵光热转换材料

光热转换是指通过反射、吸收或其他方式把太阳辐射能集中起来，转换成足够高温度的过程，以有效地满足不同负载的要求。特殊的服役环境要求材料在具有良好的高温稳定性的同时，需要具有优异的耐蚀性能、较低的膨胀率及耐候性。

高熵合金薄膜具有优异的耐蚀性能及耐高温性能；这为提高光热转换效率提供了新的发展潜力。

5.轻质高熵合金材料

轻量化是未来材料发展的一个重要方向，近年来高熵合金也开展了轻质材料的研究，并开始实现商业化应用。常见的有手机壳，手机卡槽等精密器件。

应用于日常生活轻质合金器件

6.其他

高熵合金还可以用于高熵焊纤材料、低活化高熵合金、模具材料、催化材料，半导体扩散阻挡层材料等。

总结

高熵合金未来可能的应用发展领域有：

1.将高熵合金作为金属焊接的过渡层或直接焊接立体成形，作为焊接材料应用在焊接领域。

2.作为耐高温及耐磨的涂层，发挥其热稳定性好和耐磨性的优点。同时由于其可以表现出多种元素的特性，可应用于生物医学，作高耐磨涂层。

3.作为耐腐蚀材料应用在深海等对金属耐腐蚀性要求较高的领域，发挥其耐腐蚀性能良好的优势。

4.由于轻质高熵合金低密度、高强度的特点，因而可考虑将轻质高熵合金作为航空航天、舰船装备等的修复材料或功能结构材料应用。

尽管在不同成分高熵材料的制备工艺和组织性能方面取得大量的研究成果，但高熵合金成分组合复杂多变，成分设计理论体系仍不完善，高熵材料应用潜力的多元化，需要在建立高熵合金组织性能关系的基础上，系统地研究铸造、粉末冶金、塑性加工、焊接等成形加工技术，为高性能高熵合金在工业领域的应用奠定技术基础。

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参考来源：

1.高熵合金及其他高熵材料研究新进展，王晓鹏、孔凡涛；（1．哈尔滨工业大学，材料科学与工程学院；2．哈尔滨工业大学，分析测试中心）；

2.高熵合金制备及研究进展，陈永星、朱 胜、王晓明、杜文博、张垚（装甲兵工程学院，装备再制造技术国防科技重点实验室）。

粉体圈小吉