【原】金屬所《JMST》：高熵合金的微磁學(xué)和抑制熱傳導(dǎo)！

材料科學(xué)網(wǎng) 2021-12-04

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眾所周知，合金化是多年來創(chuàng)造新材料的主要方式，即在基體中添加幾個(gè)次要的合金元素。在近十年中，高熵合金(HEAs)材料逐漸進(jìn)入研究者們的視野中，它們由多個(gè)元素以接近等原子的比例組成。多元素的存在會增加混合物的構(gòu)型熵，避免金屬間化合物的形成，使HEAs合理化。HEAs因其優(yōu)異的低溫力學(xué)性能并同時(shí)提高強(qiáng)度和延展性等優(yōu)良性能而受到廣泛關(guān)注。原子無序性可能是決定HEAs性能的關(guān)鍵因素。已有研究表明原子無序大大增強(qiáng)了電子和聲子的散射。此外，化學(xué)復(fù)雜性的增加有利于提高合金的抗輻射和耐腐蝕性。CrMnFeCoNi作為面心立方(FCC)HEA的原型，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和變形機(jī)制而被廣泛研究。然而，作為最基本的物理性質(zhì)，它的磁學(xué)和熱傳導(dǎo)性能還沒有很好地理解。

來自中國科學(xué)院金屬所等單位的研究人員探討了典型CrMnFeCoNi HEA的直流和交流磁化、導(dǎo)熱性和電阻率。通過對CrMnFeCoNi和鎳的非彈性中子散射分析，揭示了晶格動力學(xué)。相關(guān)論文以題為“Mictomagnetism and suppressed thermal conduction of the prototype high-entropy alloy CrMnFeCoNi”發(fā)表在Journal of Materials Science& Technology。

論文鏈接：

https:///10.1016/j.jmst.2021.04.077

研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，CrMnFeCoNi HEA在大約80 K處出現(xiàn)了一個(gè)清晰的峰，零場冷卻(ZFC)和加場冷卻(FC)曲線完全重疊，表明發(fā)生了可逆轉(zhuǎn)變。在80 K左右，一些波動的自旋形成反鐵磁(AFM)狀態(tài)區(qū)域，而其余與鐵磁(FM)相互作用的自旋仍在波動，最終在40 K以下有序。在較高的磁場中，經(jīng)歷FM漲落的自旋逐漸排列，因此在40 K時(shí)的躍遷變得不明顯。在AFM和FM之間的界面上受挫的自旋被凍結(jié)在20 K以下。

圖1 CrMnFeCoNi的室溫XRD和NPD圖

圖2 不同磁場(a) 0.01；(b) 0.05；(c) 0.1；(d) 0.5；(e) 1和(f) 3 T下CrMnFeCoNi的直流磁化強(qiáng)度

由于原子無序，應(yīng)變漲落、電子漲落和自旋漲落并存。中子對分布函數(shù)(PDF)分析表明，局域晶格應(yīng)變不是異常大的，Mn與相鄰原子的鍵距略大于其他原子的鍵距?；仡?%的體積膨脹，必須存在局部幾何不匹配。這種差異可能是由于PDF方法的實(shí)際空間分辨率有限。NiCoCr合金中也報(bào)告了這種差異。由于電子填充效應(yīng)，電子漲落導(dǎo)致強(qiáng)烈無序散射。本研究發(fā)現(xiàn)微磁學(xué)根源于自旋漲落，競爭相互作用導(dǎo)致復(fù)雜的磁躍遷作為溫度的函數(shù)。

圖3 (a)變頻下交流磁化率的溫度依賴性；(b)不同溫度下直流磁化的磁場相關(guān)性

圖4 (a) CrMnFeCoNi和Ni導(dǎo)熱系數(shù)的溫度依賴性；(b)CrMnFeCoNi的低溫總熱導(dǎo)率、電子熱導(dǎo)率和晶格熱導(dǎo)率以及電阻率的溫度依賴性

圖5 非彈性中子散射結(jié)果

本文研究了原子無序?qū)rMnFeCoNi HEA磁性和熱導(dǎo)性能的影響。AFM和調(diào)頻交互共存在此系統(tǒng)中，由于抑制了電子和晶格的作用，熱導(dǎo)率降低到鎳的10%。非彈性中子散射顯示出弱的晶格非諧性，因此低的晶格熱傳導(dǎo)歸因于原子無序散射。本研究對CrMnFeCoNi HEAs是一種補(bǔ)充，為今后的HEA研究提供了理論基礎(chǔ)。（文：破風(fēng)）