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中美合作搞合金

(2019-10-16 13:39:41) 下一个

    上周三,2019年10月9日《自然》杂志上发表一篇有关通过调整高熵合金元素的组成了解结构和性能的论文[9],乍一看十六位作者中只有一位非汉语拼音的名字。都是什么人呢?

    作者中最后三位是共同通信作者 - 本研究课题的设计者并参与研究,分别是美国乔治亚理工学院的朱廷、加州大学伯克利分校的罗伯特·瑞奇(Robert. Ritchie)、余倩教授(张泽院士的团队成员),七位是浙江大学材料科学与工程系电镜中心和硅材料科学国家重点实验室的研究人员,Yanfei Gao 田纳西大学教授橡树岭国家实验室研究员,另四位是佐治亚理工学院的华人研究人员。这十六位作者参与了合成合金、机械性能测试透射电镜分析、数据分析与建模等研究工作。

    文献[8]也是十六位作者,其中十一位是汉语拼音名字,不过都来自美国,分别来自马里兰大学、伊利诺伊芝加哥分校和约翰霍普金斯大学的华人学者。

    今年6月18日出版的《自然评论-材料》曾刊登一篇关于高熵合金的综述文章,共列举了188篇论文,华人参与的占三分之一。

什么是高熵合金

    据台湾媒体报道,1995年清华大学材料科学工程系任教的叶均蔚教授开车时突发奇想,要打破传统合金的做法搞高熵合金。于是让在读的研究生黄国雄陈瑞凯教授协助下熔制了第一个高熵合金块,但当时裂成数块令人失望。不过,请学生再多熔几次就得到完整的块材了,他于是找到合金新领域的曙光──高熵合金[1],在2004年发表论文了第一篇论文[2]。

    传统的合金是指一种金属为主加上一种或多种化学元素混合而成具有金属特性的物质。“高熵合金”(High-Entropy Alloys - HEAs)指的是至少五种金属元素,以每种不超过35%的原子比例混搭,产生高熵效应。这里的“熵(entropy)”是表示混乱程度的一个参数,

    那么东北的“乱炖”,四川的“水煮鱼”就是“高熵炖”了;五种或更多的酒和饮料混合就是“高熵鸡尾酒”了;五味或更多的中药饮片组成的药方也就是“高熵药方”了;“五香粉”到“十三香”都是“高熵调味品”了。开个玩笑。

    叶均蔚在他们的论文[2]中提出了可以用 13 种元素(Cu铜、Co钴、Ni镍、Cr铬、Al铝、Fe铁、Mo钼、Ti钛、V钒、Zr锆、B硼、C碳、Ag银),若任选其中的 5 - 13 种混合成高熵合金,那么就有

7099种组合的高熵合金系统。

 

    2004年Cantor等人的论文[3]介绍他们的研究过程。研究的第一种合金由20种元素组成每种5%,这些元素具有相等的原子比例,即Mn锰、Cr铬、Fe铁、Co钴、Ni镍、Cu铜、Ag银、W钨、Mo钼、Nb铌、Al铝、Cd镉、Sn锡、Pb铅、Bi铋、Zn锌、Ge锗、Si硅、Sb锑、Mg镁。第二种合金由16种元素组成,这些元素具有相等的原子比例,即Mn、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Ag、W、Mo、Nb、Al、Cd、Sn、Pb、Zn、Mg,每种6.25%两种合金均为多相且脆性,铸态和熔融纺丝后的。又选了由五、六、七、八和九种组分合金则由相同的五个元素分别与其他元素(如Cu,Ti,Nb,V,W,Mo,Ta和Ge)分别分别为16.7、14.3、12.5和11.1%的合金。论文重点研究五种元素FeCrMnNiCo合金,并添加第六元素Nb,Ge,Cu,Ti和V。

    这大概是一篇划时代的论文,目前已被引用1432次。

    2019版的元素周期表中有118种元素,去掉放射性元素和气体,至少有70种元素可选,任选五种到七十种的组合是:???,一个天文数字。

    2009年张勇等人报道了一种含钴、铬、铜、铁、镍、铝的合金,比纯铝强十四倍,韧性是将近三倍。2011年叶均蔚报道了钴、铬、铁、镍、铝、钛合金的抗磨性能是普通抗磨钢的两倍。2014年George及其团队研究的钴、铬、铁、镁、镍合金在液氮温度下也不会变脆。

    2014年,美国劳伦斯伯克利国家实验室的罗伯特·瑞奇(Robert Ritchie)与橡树林国家实验室的伊索·乔治(Easo George)共同发现了一种由CrMnFeCoNi(铬锰铁钴镍)组成的合金,这种合金在越低的温度中(低至液氮温度-200℃)反而展现出更好的塑性[5],这个材料在低温设备、天然气管道和航天器等低温设备上使用。

    2016年瑞士联邦理工的科学家拉尔夫·斯波棱那科(Ralph Spolenak)利用离子共溅射手段制备出了NbMoTaW(铌钼钽钨)高熵合金。这种合金的强度超过20GPa,远远超过一般的合金[6]。

    2016年5月19日新加坡自由撰稿人(Freelance Science Reporter)Xiaozhi LIM 在《自然》杂志上刊文[7]“混合金属制造更强、更硬、更具延展性的合金”,介绍高熵合金的研究进展。Xiaozhi LIM 经常在《纽约时报》、《自然》、《科学》、《科学美国人》等十多种报刊上发表科普文章。

    从已发表论文看,有些高熵合金的比强度比传统合金好得多,而且耐高/低溫、抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性都比传统的合金要好,可以做为模具或各种合金产品,从高尔夫球杆头,到航空航天发动机的部件等。


华裔材料科学家总被引用次数

科学家 所在研究机构 总被引次数 本科毕业院校
夏幼南 华盛顿大学圣路易斯分校 190622 中国科学技术大学
杨培东 加州大学伯克利分校 145123 中国科学技术大学
鲍哲南 斯坦福大学 89484 南京大学
殷亚东 加州大学河滨分校 80614 中国科学技术大学
任志锋 波士顿学院 64704 四川工学院
段镶锋 加州大学洛杉矶分校 57039 中国科学技术大学
孙玉刚 阿尔贡国家实验室 52914 中国科学技术大学
吴屹影 俄亥俄州立大学 42863 中国科学技术大学
邹祖炜 特拉华大学 37738 国立台湾大学
蒋业明 麻省理工学院 30865 麻省理工学院
黃暄益 台湾清华大学 8626 纽约城市大学

 


    以上数据来自 Google Scholar, 截止到2019年10月16日中午12点,另有学者因姓名无法确定而未列入。

注:本文因篇幅长和过于专业已做删减。引用请注明“文学城”。

[1] Huang KH, Yeh JW. A study on multicomponent alloy systems containing equal-mole elements [M.S. thesis]. Hsinchu: National Tsing Hua University; 1996.

[2] Jieb-Wei Yeh, Swe-Kai Chen, Su-Jien Lin, Jon-Yiew Gan, Tsung-Shune Chin, Tao-Tsung Shun, Chun-Huei Tsau and Shou-Yi Chang. Nanostructured High‐Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes. Adv. Eng. Mater. 6, 299–303 (2004). doi.org/10.1002/adem.200300567 .

[3] B.Cantor, I.T.H.Chang, P.Knight, A.J.B.Vincent, Microstructure development in equiatomic multicomponent alloys. Mater. Sci. Eng. , A 375-377, 213–218(2004)

[4] Fangjun Wang, Yong Zhang, Guoliang Chen and Hywel A. Davies. Tensile And Compressive Mechanical Behavior Of A CoCrCuFeNiAl0.5 High Entropy Alloy. Int. J. Mod. Phys. B 23, 1254–1259 (2009).

[5] Bernd Gludovatz, Anton Hohenwarter, Dhiraj Catoor, Edwin H. Chang, Easo P. George, Robert O. Ritchie1. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications. Science 1153 (2014); 345 doi:10.1126/science.1254581

[6] Yu Zou, Huan Ma & Ralph Spolenak. Ultrastrong ductile and stable high-entropy alloys at small scales. Nature Communication, 2016(6):7748

[7] Xiaozhi Lim. Metal mixology: stronger, tougher, stretchier: with a simple new recipe, metallurgists are creating a generation of alloys with remarkable properties. Nature 533,  7603 (2016)

[8] Yonggang Yao, Zhennan Huang, Pengfei Xie, Steven D. Lacey, Rohit Jiji Jacob, Hua Xie, Fengjuan Chen, Anmin Nie, Tiancheng Pu, Miles Rehwoldt, Daiwei Yu, Michael R. Zachariah, Chao Wang, Reza Shahbazian-Yassar, Ju Li, Liangbing Hu.Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles. Science  359, Issue 6383, pp. 1489-1494 (2018). DOI: 10.1126/science.aan5412

[9] Qingqing Ding, Yin Zhang, Xiao Chen, Xiaoqian Fu, Dengke Chen, Sijing Chen, Lin Gu, Fei Wei, Hongbin Bei, Yanfei Gao, Minru Wen, Jixue Li, Ze Zhang, Ting Zhu, Robert O. Ritchie & Qian Yu. Tuning element distribution, structure and properties by composition in high-entropy alloys. Nature 574, 223–227 (2019)

 

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阅读 ()评论 (4)
评论
jinhui20 回复 悄悄话 不靠谱,扫荡式海选,烧钱发文章,离工业实用远着呢,不建议国家投资。太过基础,科研结果大多不能转化,只能公开,撞上大运肯能性很小
红米2015 回复 悄悄话 有点像当年的高温超导,试验各种组合炒菜。
赌城看客 回复 悄悄话 谢谢“红米2015”留言。一个尖锐的问题。我理解还是“尝百草”阶段。瞧Cantor(2004)的论文[3], 选20种元素逐渐优化到5种过渡元素,然后是熔炼,做X光衍射、透射或扫描电镜照片、高温或低温下的机械性能,讨论,结论。后继论文有描述将一个元素换成钯再做一遍。什么合金原子与基体原子之间的尺寸和模量,什么晶格失配,什么剪切模量等等,讨论中。人们可能更希望像当年的物理学那样先有理论,再对撞出结果。人们也希望有基于理论的CAD软件帮助研究人员选择元素,选择比例关系,以节省经费加快简直速度。再此也邀请专业人士做进一步的科普。
红米2015 回复 悄悄话 “有些高熵合金的比强度比传统合金好得多,而且耐高/低溫、抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性都比传统的合金要好”

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