北科大這支團隊《Nature》子刊一月雙發！

　　近日，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平教授團隊一月內在《Nature Communications》連續發表兩篇論文。

　　呂昭平教授團隊研究成果介紹

　　01

　　高熵非晶合金中的連續多形性轉變

　　非晶態多形性轉變（Polyamorphic Transition，簡稱PT）是一種廣泛存在于玻璃態材料中的物理現象，為有效調節玻璃的結構和性能提供了一條重要途徑。深入理解PT對于揭示玻璃材料的形成機制及其結構特性具有重要的科學意義與實用價值。在傳統非晶合金體系中，PT通常呈現出明顯的一級相變特征。與氧化物和分子玻璃不同，非晶合金通常由多種組成元素構成，從而導致原子堆積排列的復雜性和多樣性。因此，構型熵有望對非晶合金的相變和相關特性產生影響。盡管高熵效應被認為有利于高熵非晶合金中PT的發生，但目前高熵非晶合金中的PT現象仍被認為與在傳統非晶合金中觀察到的類似。

　　成果掠影

　　新金屬材料國家重點實驗室呂昭平、劉雄軍教授團隊與合作者報道了高熵非晶合金在加熱過程中出現的一種缺乏一級相變特征的連續非晶態多形性轉變（Continuous PT，簡稱CPT）。在高構型熵的驅動下，該轉變現象導致了元素的重新分布及中短程有序化。這種特性得益于高構型熵帶來的巨大構型空間，顯著增強了原子排列靈活性和可調性。此外，高構型熵抑制了原子重排的距離和頻率，是導致CPT的動力學因素。尤為重要的是，在CPT過程中，并未觀察到體積和結構的突變，而是形成了多種成分相同而結構和性能不同的非晶態產物。這些特性使得高熵非晶合金成為研究非晶態材料結構與性能內稟關聯的理想模型系統。因此，本研究結果不僅為理解非晶合金中PT的性質提供了新的見解，也為探索這些材料豐富而復雜的物理行為提供了新的機遇。

　　相關工作以“Continuous polyamorphic transition in high-entropy metallic glass”為題在線發表在《Nature Communications》上。論文第一作者為博士生曹一歡。

　　數據概覽

　　高熵非晶合金中的多形性轉變及其量熱行為

　　高熵非晶合金在CPT過程中的結構演變

　　高熵非晶合金在CPT過程中的原子有序化機制

　　高熵非晶合金中CPT和傳統非晶合金中PT的勢能圖景

　　02

　　單相輕質高強高熵鋁合金

　　隨著對節能結構材料需求的不斷增長，開發輕質高強度的鋁合金一直是人們的追求。通常，鋁合金中鋁的含量超過85%，要進一步降低密度，需引入更多輕元素。然而，超出這些元素在鋁中的溶解度極限，可能導致合金主要由金屬間化合物（IMC）組成，缺乏延性面心立方（FCC）基體，從而導致力學性能惡化。此外，強度通常隨著密度的降低而降低，這導致在鋁合金中實現高比強度具有很大的挑戰性。基于復雜濃縮合金（CCA）概念引入高構型熵已被證明是一種有效的方法，可以穩定固溶體相，防止形成遠超傳統溶解度極限的IMC。單相固溶體鋁基CCA的缺乏主要是由于鋁和其他輕元素之間原子半徑和電負性差異顯著，導致體系高混合焓（H）和低過剩熵（SE）。在這種情況下，化學有序的IMC更容易形成。盡管升高溫度可以增強熵效應，提高某種元素在另一種元素中的溶解度，但是對于鋁合金來說，在高溫熔體淬火凝固過程中仍然容易形成金屬間化合物，因此僅通過升高溫度產生的熵效應仍然不夠。

　　成果掠影

　　為解決這一問題，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平、吳淵教授團隊與北京高壓科學研究中心曾橋石研究員合作，提出了一種新方法，通過高溫高壓手段，直接將鋁基CCA中的多種脆性相轉變為單相延性固溶體。成功開發出一種單相FCC結構的鋁基CCA，其密度低至2.40 g/cm3（低于大多數鋁合金~2.8 g/cm3），比屈服強度達到344×103 N·m/kg（目前鋁基合金通常約為200×103 N·m/kg）。分析表明，單相CCA的形成歸因于高壓下溶質元素與鋁之間原子尺寸和電負性差異的減少，以及高溫高壓條件下的協同高熵效應。超高的強度來自于單一FCC晶格中多種元素導致的固溶強化，以及納米級化學波動引起的位錯釘扎效應。

　　相關工作以“Lightweight single-phase Al-based complex concentrated alloy with high specific strength”為題在線發表在《Nature Communications》上。論文第一作者為博士生韓明亮。

　　核心創新點

　　? 單相鋁基CCA開發：創新性引入高溫高壓技術，成功將多相IMC轉化為單相FCC結構，開發了一種新型的輕質單相鋁基復雜濃縮合金（CCA）。

　　? 優異的力學性能：開發的單相鋁基CCA超低的密度源于額外量更輕元素（Li、Mg）的引入；高比強度主要源于固溶強化、局域化學成分波動強韌化。

　　? 合金設計普適性：建立了高溫高壓制備單相輕質CCA固溶體的普適性準則，為更多輕質CCA的設計開發提供了指導。

　　? 廣闊的成分設計空間：本研究成功將鋁合金從相圖端際拓展到未開發的中間區域，提供了更廣闊的成分設計空間，為高性能鋁合金的開發帶來了新機遇！

　　數據概覽

　　鑄態和高溫高壓合成的Al55Mg35Li5Zn5樣品的表征

　　力學性能

　　單相Al55Mg35Li5Zn5 CCA的變形行為

　　原位高壓同步輻射揭示單相FCC的相形成機制

　　元素半徑、局部原子應變（λ）、電負性和過剩熵（SE）隨壓力的變化

　　該綜述論文指出了里德堡原子陣列和Fermi Hubbard模型中衍生出規范理論的相通之處