第1章緒論／001



1.1材料的發展001



1.1.1材料的定義及其分類001



1.1.2金屬材料的發展簡史003



1.1.3高熵合金的發現003



1.2高熵合金的發展007



1.2.1高熵合金的歷史背景007



1.2.2高熵合金的相關發展007



1.2.3高熵合金的研究成果009



1.3高熵合金的熱力學基礎010



1.4高熵合金及其定義013



1.5高熵合金的特性015



1.5.1高熵效應015



1.5.2晶格畸變效應016



1.5.3緩慢擴散效應018



1.5.4“雞尾酒”效應018



1.5.5熱穩定性020



1.6高熵合金的制備023



1.6.1塊狀高熵合金024



1.6.2薄膜高熵合金026



1.6.3絲狀高熵合金027



1.6.4粉末高熵合金029



1.7高熵合金的研究熱點030



1.8對高熵合金現存問題的闡述041



1.8.1高熵合金定義問題041



1.8.2相形成問題042



1.8.3緩慢擴散效應問題044



1.9高熵合金的未來研究方向045



1.9.1理論研究045



1.9.2應用方向047



1.10高熵合金與“材料基因組”計劃048



參考文獻050







第2章高熵非晶合金及相關材料／054



2.1非晶合金概述054



2.1.1非晶合金形成判據及體繫分類054



2.1.2非晶合金熱學性能和弛豫056



2.1.3非晶合金力學性能057



2.1.4非晶合金磁功能特性057



2.1.5非晶合金化學功能特性058



2.2高熵非晶合金概述和分類058



2.3高熵非晶合金的力學性能062



2.4高熵非晶合金的化學性能及生物相容性065



2.5高熵非晶合金的磁性能069



2.5.1高熵非晶合金的磁熱性能069



2.5.2高熵非晶合金的軟磁性能071



2.6小結與展望074



參考文獻074







第3章高熵合金的概念／076



3.1高熵合金的定義076



3.1.1高熵合金的狹義定義076



3.1.2高熵合金的廣義定義078



3.2高熵合金的表達方式079



3.3高熵合金的分類079



3.3.1按微觀結構劃分079



3.3素組成劃分080



3.3.3按維度劃分080



3.4典型的高熵合金結構模型080



3.4.1面心立方結構080



3.4.2體心立方結構080



3.4.3密排六方結構081



3.4.4非晶結構081



3.5高熵合金的四大效應081



3.5.1熱力學上的高熵效應081



3.5.2結構上的晶格畸變效應083



3.5.3動力學上的遲滯擴散效應084



3.5.4性能上的“雞尾酒”效應085



參考文獻087







第4章性原理方法在高熵合金中的應用／089



4.1性原理方法的簡要介紹089



4.2性原理方法在高熵合金中的應用090



4.2.1高熵合金可計算模型090



4.2.2高熵合金的電子密度091



4.2.3高熵合金的相穩定性094



4.2.4高熵合金熱學量預測094



4.2.5高熵合金的力學性質094



4.2.6高熵合金層錯能計算098



4.3高熵合金的晶格畸變101



4.4高熵合金的緩慢擴散102



參考文獻104







第5章高熵合金的設計／106



5.1概述106



5.高熵固溶體合金的設計107



5.2.高熵固溶體合金設計依據理論107



5.2.高熵固溶體合金設計考慮因素109



5.2.高熵固溶體合金設計方法109



5.2.高熵固溶體合金的合金化理論111



5.2.素選擇與合金繫設計113



5.3高熵合金設計研究實例118



參考文獻123







第6章高熵合金的制備方法／124



6.1高熵合金制備需要考慮的問題124



6.2熔鑄法制備高熵合金124



6.2.1高熵合金熔鑄方法124



6.2.2高熵合金液凝固技術方法124



6.2.3高熵合金真空電弧熔煉法124



6.2.4真空感應熔煉125



6.2.5定向凝固制備高熵合金單晶126



6.2.6真空熔體快淬法制備非晶高熵合金薄帶126



6.3機械合金化法制備高熵合金128



6.4制備高熵合金薄膜129



6.5“高通量法”制備高熵合金131



6.6高熵合金復合材料的制備131



6.6.1原位自生合成反應制備薄膜131



6.6.2機械合金化法制備陶瓷高熵合金復合材料132



6.7高熵合金的熱加工132



參考文獻132







第7章高熵合金的組織特征／133



7.1高熵合金的凝固原理133



7.2高熵合金的組織134



7.2.1單相單晶組織134



7.2.2單相多晶組織135



7.2.3單相非晶組織138



7.2.4多相共晶組織139



7.2.5多相其他組織143



參考文獻149







第8章高熵合金的性能特點／151



8.1力學性能151



8.1.1室溫力學行為151



8.1.2高溫力學性能152



8.1.3低溫力學性能154



8.1.4疲勞性能155



8.1.5斷裂韌性155



8.1.6鋸齒流變行為156



8.1.7影響力學性能的因素157



8.2耐磨性能159



8.3抗氧化性能159



8.4抗腐蝕性能160



8.5物理性能161



8.5.1電學性能161



8.5.2磁學性能163



8.6抗輻照性能165



參考文獻166







第9章高熵合金的相形成規律／169



9.合金的相平衡條件169



9.高熵合金的微觀結構特征170



9.2.1高熵合金的相結構170



9.2.2高熵合金的組織172



9.3影高熵合金相穩定性的因素175



9.3.1混合熵175



9.3.2混合焓176



9.3.3原子尺寸176



9.3.4電負性差177



9.3.5價電子濃度177



9.3.6其他因素177



9.高熵合金的相形成規律177



9.4.固溶體形成準則178



9.4.2非晶形成能力判據185



參考文獻186







第10章高熵合金的抗輻照性能／188



10.1引言188



10.2高熵合金抗輻照性能研究初衷188



10.3高熵合金的抗輻照性能190



10.3.1堆外離子輻照是高熵合金抗輻照性能研究的重要課題190



10.3.2高熵合金輻照行為研究概述192



10.4傳統核結構材料199



10.4.1鋯及鋯合金199



10.4.2不鏽鋼及高鎳合金200



10.5未來高熵合金抗輻照材料展望200



10.5.1納米孿晶材料200



10.5.2SiC陶瓷202



10.5.3新型高熵合金復合材料展望203



參考文獻204







第11章高熵合金的應用前景／206



11.1高熵合金應用研究206



11.1.1高性能高熵合金塗層206



11.1.2高溫高熵合金210



11.1.3焊料或焊絲212



11.2高熵合金的發展趨勢213



11.2.1抗輻照材料213



11.2.2選擇性吸收塗層214



11.2.3低溫結構材料215



11.2.4熱電材料215



11.2.5超導材料216



11.2.6大磁熵材料216



11.2.7高熵軟磁材料225



參考文獻226







索引228

探索新型材料是人類文明發展進程中的永恆追求。傳統研發新材料的辦法是基於一種或或組分，通過添加少量的或組分，以達到優化材料性能的目的，滿足人類的實際使用要求。近年來，人們開始從調節材料的“序參量”,有序或無序的程度，或者“熵參量”來研究和發展材料。“序參量”也分“結構序”和“化學序”參量。前者主要指空間結構上的序，後者主要指化學占位上的序。眾所周知的例子,如非晶合金、有序金屬間化合物高溫材料、高熵合金等。



高熵合金是基於“化學無序”發展的新材料，主要提出了從熵的角度開發和研究合金材料，突破了過去合金的限制。到目前為止，高熵合金經歷了三個主要階段等原子比單相固溶體合金；非等原子比多相合金；第三,高熵薄膜或陶瓷。



個階段主要是研究熵如何穩定化學無序的固溶體結構或結構無序的非晶結構，熵和焓如何協同作用影響合金相的形成，並提出各種預測高熵合金相形成的判據；高熵合金的強化機制，特別是固溶強化，因為高熵合金是典型的“濃固溶體”區別於傳統合金“稀固溶體”；並總結出了高熵合金的五大特點,即高溫穩定性好、低溫高韌性、抗輻照腫脹率、緩慢擴散效應、晶界能和層錯能低。



第二個階段的研究是基於實際的工程應用，需要降低合金的成本，先報非等原子比雙相合金，實現了孿晶增韌(TWIP)和相變增韌(TRIP)同步產生，導致其強度和室溫塑形同步提高；具有良好鑄造性能的共晶高熵合金；具有良好綜合性能和高溫性能的析出強化高熵合金等。



第三個階段主要是以混合組分為基礎，如幾種碳化物或幾種氮化物或氧化物，形成陶瓷的置換固溶體，預期得到更高的熱穩定性或生物相容性。混合的辦法可以是物理氣相沉積(PVD)、磁控濺射(Sputter)、固相反應、燒結等。



本書將為讀者提供關於高熵材料一個概括的總結，為對高熵合金感興趣的讀者提供一個引子，以便將來進行更深入、繫統的研究。本書總共分為11章，具體分工如下：張勇負責全部的統籌安排和撰寫，其中張蔚冉負責第1章撰寫，王軍強、趙昆、高選橋和霍軍濤負責第2章撰寫，左婷婷和張濤負責第3章、第7章、第11章撰寫，田付陽負責第4章撰寫，陳明彪負責第5章和第6章撰寫，楊瀟負責第8章和第9章撰寫，夏松欽負責第10章撰寫。在本書撰寫中，張敏和李鼕月在排版和校對方面做了細致的工作。編著者對此表示衷心的感謝和崇高的敬意！



由於高熵合金是近期研究的熱點，涉及的學科多、發展快，加上編著者水平和學識有限，在取材和論述方面會存在不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。







張勇



2018年3月