Высокоэнтропийные сплавы. Теоретические и прикладные аспекты
Покупка
Новинка
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 208
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-7882-3401-4
Артикул: 853617.01.99
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину
Рассмотрены основные критерии высокоэнтропийных сплавов, включая концепции, свойства, эффекты и области применения. Работа содержит полезную информацию для работы с материалами, которые подвергаются воздействию высоких температур. Предназначена для сотрудников вузов и научных организаций, аспирантов, студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Химическая технология» и «Материаловедение».
Подготовлена на кафедре технологии электрохимических производств.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 18.03.01: Химическая технология
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- ВО - Магистратура
- 18.04.01: Химическая технология
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Казанский национальный исследовательский технологический университет А. Ф. Дресвянников, М. Е. Колпаков ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ СПЛАВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ Монография Казань Издательство КНИТУ 2023
УДК 669.018 ББК 34.2 Д73 Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета Рецензенты: канд. техн. наук, доц. С. Ю. Ситников канд. хим. наук, доц. А. В. Желовицкая Дресвянников А. Ф. Д73 Высокоэнтропийные сплавы. Теоретические и прикладные аспекты : монография / А. Ф. Дресвянников, М. Е. Колпаков; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2023. – 208 с. ISBN 978-5-7882-3401-4 Рассмотрены основные критерии высокоэнтропийных сплавов, включая концепции, свойства, эффекты и области применения. Работа содержит полезную информацию для работы с материалами, которые подвергаются воздействию высоких температур. Предназначена для сотрудников вузов и научных организаций, аспирантов, студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Химическая технология» и «Материаловедение». Подготовлена на кафедре технологии электрохимических производств. УДК 669.018 ББК 34.2 ISBN 978-5-7882-3401-4 © Дресвянников А. Ф., Колпаков М. Е., 2023 © Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2023
С О Д Е Р Ж А Н И Е СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ .......................................................................................................................................... 6 ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................................................ 8 1. ИСТОРИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ ........................................................................................................................................................................ 10 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ ......................................... 18 2.1. Эффект высокой энтропии .................................................................................................................... 25 2.2. Концентрация валентных электронов .......................................................................................... 31 2.3. Эффект медленной диффузии ............................................................................................................ 32 2.4. Эффект сильного искажения решетки .......................................................................................... 36 2.5. Эффект коктейля ......................................................................................................................................... 37 2.6. Фазовый отбор в высокоэнтропийных сплавах: теоретический подход ............... 39 2.7. Фазообразование в высокоэнтропийных сплавах: прогнозирование с помощью вычислительных методов .................................................................................................... 47 2.8. Кристаллические структуры и фазовые превращения ....................................................... 51 2.8.1. Фазы простого твердого раствора в высокоэнтропийных сплавах ....................................... 52 2.8.2. Фазы при повышенных температурах .............................................................................................. 53 2.8.3. Моделирование фазовых равновесий .............................................................................................. 54 3. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ ................................................... 55 3.1. Карботермический ударный синтез ............................................................................................... 56 3.2. Пиролиз в быстродвижущемся слое .............................................................................................. 58 3.3. Механическое легирование ................................................................................................................. 60 3.4. Метод лазерного синтеза ...................................................................................................................... 62 3.5. Совместное распыление ........................................................................................................................ 62 3.6. Ультразвуковой химический метод ................................................................................................ 63 3.7. Метод электроосаждения ...................................................................................................................... 63 3.8. Соосаждение на прекурсоре ............................................................................................................... 65 3
3.9. Микроволновый синтез .......................................................................................................................... 66 3.10. Метод вакуумно-дуговой плавки ................................................................................................... 69 3.11. Метод порошковой металлургии ................................................................................................... 70 3.12. Метод осаждения ..................................................................................................................................... 72 3.13. Наночастицы высокоэнтропийных сплавов ........................................................................... 73 3.14. Нанопористые и полые материалы .............................................................................................. 77 3.15. Композитные материалы на основе высокоэнтропийных сплавов ........................ 78 3.16. Инжиниринг дефектов .......................................................................................................................... 83 3.17. Деформационные эффекты .............................................................................................................. 89 3.18. Синтез эффективных катализаторов ........................................................................................... 90 3.19. Упорядоченные высокоэнтропийные интерметаллиды ................................................. 97 3.20. Теоретический расчет составов высокоэнтропийных сплавов .................................. 98 3.20.1. Расчет методом DFT .............................................................................................................................. 99 3.20.2. Машинное обучение ........................................................................................................................... 103 3.21. Каталитические реакции .................................................................................................................. 104 3.22. Синтез прекурсоров высокоэнтропийных сплавов в водном растворе ............ 117 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ................................... 125 4.1. Механические свойства ....................................................................................................................... 125 4.2. Высокотемпературное применение высокоэнтропийных сплавов ......................... 138 4.2.1. Стойкость высокоэнтропийных сплавов к окислению ............................................................. 138 4.2.2. Стойкость высокоэнтропийных сплавов к горячей коррозии ............................................... 140 4.2.3. Микроструктурная стабильность материалов ............................................................................. 141 4.2.4. Механические свойства при высокой температуре .................................................................. 142 4.2.5. Тугоплавкие высокоэнтропийные сплавы .................................................................................... 145 4.2.6. Эвтектические высокоэнтропийные сплавы ................................................................................ 149 4.2.7. Высокоэнтропийные суперсплавы .................................................................................................. 150 4.3. Магнитные свойства ............................................................................................................................... 154 4.4. Электрические свойства ...................................................................................................................... 156 4
4.5. Теплопроводность сплавов ............................................................................................................... 156 4.6. Коррозионные свойства ...................................................................................................................... 157 4.7. Тонкие пленки высокоэнтропийных сплавов ........................................................................ 158 4.8. Волокна высокоэнтропийных сплавов ...................................................................................... 160 4.9. Высокоэнтропийные металлические стекла .......................................................................... 162 4.10. Электрокатализаторы ......................................................................................................................... 162 4.10.1. Фундаментальные концепции и стратегии разработки катализаторов .......................... 165 4.10.2. Синтез и стабильность фаз сложных по составу твердых растворов .............................. 167 4.10.3. Корреляция свойств «структура — активность» ....................................................................... 168 4.10.4. Избирательность и многофункциональность ............................................................................ 171 4.10.5. Будущие задачи .................................................................................................................................... 174 4.11. Новые функциональные свойства ............................................................................................. 175 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................................................................................... 176 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................................................................... 181
С П И С О К С О К Р А Щ Е Н И Й БПФ – быстрое преобразование Фурье ВЭМ – высокоэнтропийный материал ВЭО – высокоэнтропийный оксид ВЭОП – высокоэнтропийный оксид со структурой перовскита ВЭОФ – высокоэнтропийный оксид флюорита ВЭП – высокоэнтропийная пленка ВЭС – высокоэнтропийный сплав ВЭСА – аэрогель высокоэнтропийного сплава ВЭС-НЧ – наночастицы высокоэнтропийного сплава ВЭСС – высокоэнтропийный суперсплав ВЭСЧ – высокоэнтропийные частицы ВЭЭ – высокоэнтропийный эффект ГПУ – гексагональная плотноупакованная ГЦК – гранецентрированная кубическая ИПС – искровое плазменное спекание КВЭ – концентрация валентных электронов КТУС – карботермический ударный синтез МА – металлический аэрогель МПГ-ВЭС – высокоэнтропийный сплав металлов платиновой группы МРЭС – модель распределения энергии связи НЧ – наночастица ОБПФ – обратное быстрое преобразование Фурье ОЦК – объемно-центрированная кубическая ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия РСА – рентгеноструктурный анализ СВЭ – стандартный водородный электрод СЭМ – сканирующая электронная микроскопия ТВЭС – тугоплавкий высокоэнтропийный сплав ТРСС – твердый раствор сложного состава ФЭ – фарадеевская эффективность 6
ЭВЭС – эвтектический высокоэнтропийный сплав ЭДУ – энергия дефектов упаковки ATR-IRAS (Attenuated Total Reflectance – Infrared Reflection Absorption Spectroscopy) – инфракрасная абсорбционная спектроскопия затухающего общего отражения CALPHAD (CALculations of PHAse Diagrams) – расчетная модель фазовых диаграмм DFT (Density Functional Theory) – теория функционала плотности EBSD (Electron BackScatter Diffraction) – дифракция обратно-рассеянных электронов EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) – спектр поглощения рентгеновских лучей расширенной тонкой структуры GO (Graphene Oxide) – оксид графена IPF (Inverse Pole Figure) – обратная полюсная фигура SAED (Selected Area Electron Diffraction) – дифракция электронов в выбранной области XAFS (X-ray Absorption Fine Structure) – рентгеновский абсорбционный спектроскопический анализ тонкой структуры XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) – спектр поглощения рентгеновских лучей вблизи области краевой структуры
В В Е Д Е Н И Е В настоящее время высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) вызывают значительный интерес в материаловедении и технике. В отличие от обычных сплавов, содержащих один, реже – два основных элемента, ВЭС включают несколько элементов, при этом возможное количество составов ВЭС значительно превышает число составов традиционных сплавов. Появление ВЭС поставило перед исследователями ряд фундаментальных проблем, которые заставляют пересмотреть теории, модели и методы, применяемые для обычных сплавов. Согласно современным представлениям, ВЭС являются усовершенствованными функциональными и конструкционными материалами с улучшенными свойствами, выходящими за рамки традиционных сплавов. Они демонстрируют формирование уникальной микроструктуры за счет более сложного строения. Создание сложной структуры увеличивает конфигурационную энтропию. Поведение элементов-добавок в обычных сплавах отличается от поведения элементов в ВЭС, которые находятся практически в эквимолярном соотношении. Из-за своей структуры ВЭС должны представлять собой аморфный твердый раствор. Высокоэнтропийные сплавы – класс металлических материалов, совершивших революцию в конструкции сплавов. Они известны своей высокой прочностью на сжатие, часто превышающей 1 ГПа; однако прочность на растяжение большинства известных ВЭС ограничена. Стратегия, предложенная некоторыми исследователями, предполагает формирование структуры высокой плотности в виде иерархически ориентированных наночастиц. ВЭС на основе интерметаллидов разрабатываются как высокотемпературные материалы с целью замены суперсплавов на основе никеля из-за их низких температур плавления. Механическая прочность, микроструктурная стабильность, стойкость к окислению и коррозии – эти требования предъявляются к сплавам, используемым при высоких температурах. Альтернативой являются сплавы с высокой энтропией, которые могут стать основными материалами, используемыми в компонентах авиационных газотурбинных двигателей. Обсуждаются новые свойства ВЭС, такие как превосходная удельная прочность, отличные механические характеристики при вы8
соких температурах, исключительные пластичность и вязкость разрушения при криогенных температурах, суперпарамагнетизм и сверхпроводимость. Благодаря своему значительному структурному и функциональному потенциалу, а также многообразию составов, ВЭС перспективны для создания новых материалов, что требует дальнейших исследований. Высокоэнтропийные материалы (ВЭМ) являются новыми функциональными материалами и в области катализа благодаря своим большим возможностям для проектирования, перестраиваемой электронной структуре, эффектам коктейля и стабилизации энтропии. Разработано множество эффективных стратегий для создания передовых катализаторов различных реакций. Представлены некоторые перспективные катализаторы на основе ВЭС и полезные рекомендации для изучения многоэлементных катализаторов. Предложены новые уникальные концепции дизайна катализаторов, преодолевающие существующие ограничения и меняющие представление о взаимосвязях «структура – активность». Предлагается дорожная карта, иллюстрирующая, какие из характерных концепций можно использовать с помощью определенной стратегии и какие прорывы могут быть возможны для будущих исследований в этом многообещающем классе материалов.
. И С Т О Р И Ч Е С К И Е П Р Е Д П О С Ы Л К И Р А З Р А Б О Т К И В Ы С О К О Э Н Т Р О П И Й Н Ы Х С П Л А В О В С древнейших времен человеческая цивилизация стремилась разрабатывать новые материалы [1], открывая металлы и изобретая все новые сплавы, которые играют ключевую роль на протяжении тысячелетий. Начиная с бронзового века сплавы традиционно разрабатывались в соответствии с парадигмой «базового элемента». Эта стратегия включает в себя использование одного, редко – двух основных элементов, таких, например, как железо в сталях или никель в суперсплавах. Наши потребности в металлах по-прежнему огромны, особенно в высокопроизводительных технологиях. Важно отметить, что за последние 150 лет были разработаны наиболее высокоэффективные сплавы. По сравнению с общим временем использования металлов человечеством, это очень короткий период [2]. До настоящего времени для получения сплавов с улучшенными свойствами используется подход, основанный на легировании металла небольшими количествами других элементов. Под легированием понимают добавление к первичному металлу небольшого количества одного или нескольких элементов для целенаправленного улучшения физических, механических и химических свойств сплава [3, 4]. При рассмотрении традиционного принципа конструирования сплавов обнаруживается, что все они ориентированы на один основной металлический элемент [5] и для корректирования их свойств требуется лишь незначительная добавка нескольких элементов [6]. Исследования в области легирования содержат данные о структурных характеристиках, при этом магнитные и механические свойства являются наиболее изученными [7–9]. Около 20 лет назад была предложена новая парадигма проектирования сплавов [10, 11], которая включает простое смешивание нескольких элементов в эквимолярном (или почти эквимолярном) соотношении для формирования сплавов, избегая таким образом концепции базового элемента. Эти многоэлементные сплавы были названы высокоэнтропийными, что свидетельствует о высокой конфигурационной энтропии случайного смешения элементов. В настоящее время ВЭС изучаются все больше, тем не менее, учитывая короткую историю исследований, эта область все еще находится в зачаточном состоянии по 10
Похожие
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину