Микро- и наноразмерные материалы с высокой энтропией
Э.Д. Курбанова, Р.М. Белякова, В.А. Полухин
ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.472
Оригинальная статья
Аннотация: Стабильность высокоэнтропийных сплавов, в том числе эквиатомных и неэквиатомных микро- и наноструктурных высокоэнтропийных сплавов актуальна при создании устойчивых многокомпонентных композиций с повышенными рабочими характеристиками. Реализация таких материалов возможна механическим легированием, магнетронным распылением, а также и электрохимическим методом с применением стратегии «сверху вниз и снизу в верх» при умеренных температурах < 200°C с контролируемым получением как микро- от 0,5 до 20 мкм, так и наноразмерных ВЭС с частицами от 2 до 10 нм. Хорошо изученная зависимость для классических сплавов «структура-свойство» еще не совсем ясна для нано-ВЭС, но очевидно, что можно формировать превосходные механические характеристики подбором химических составов и специальным режимом термообработки. Относительно химического состава, предъявляются требования, как к основным компонентам, так и к легирующим добавкам. Предварительно подбираются не только составы, но и методы синтеза высокоэнтропийных сплавов, включая ab initio (теория функционала плотности), нейросетевое прогнозирование и классическое МДмоделирование с возможными условиями формирования модельных образцов нановысокоэнтропийных сплавов, а также и производных вариантов. Полученные описания сравниваются с реальными методами синтеза высокоэнтропийных сплавов, к примеру, воздействия в различных синтетических средах.
Ключевые слова: многокомпонентные, аморфные и нанокристаллические сплавы, высокоэнтропийные сплавы и нано-высокоэнтропийные сплавы, деформационное упрочнение, ландшафт-локальные флуктуации, прочность, термостабильность, слоистые композиты, термодинамические расчеты
- Курбанова Эльмира Джумшудовна – к.х.н., научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
- Белякова Римма Михайловна – к.т.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
- Полухин Валерий Анатольевич – д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
Ссылка на статью:
Курбанова, Э.Д. Микро- и наноразмерные материалы с высокой энтропией / Э.Д. Курбанова, Р.М. Белякова, В.А. Полухин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 472-480. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.472.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Polukhin, V.A. Dendrite-hardened amorphous and graphene-reinforced metal composites: Deformation mechanisms and strength characteristics / V.A. Polukhin, S.Kh. Estemirova, E.D. Kurbanova // AIP Conference Proceedings. – 2020. – V. 2315. – P. 050019-1-050019-5. DOI: 10.1063/5.0036724.
2. Zhou, S. Temperature dependent mechanical behavior of an Al0.5Co0.9FeNi2.5V0.2 high-entropy alloy/ S. Zhou, P.K. Liaw, Y. Xue, Y. Zhang // Applied Physics Letters. – 2021. – V. 119. – I. 12. – Art. № 121902. – 5 p. DOI: 10.1063/5.0064821.
3. Ma, Y. High-entropy energy materials: сhallenges and new opportunities / Y. Ma, Y. Ma, Q. Wang et al. // Energy & Environmental Science. – 2021. – V. 14. – I. 5. – P. 2883-2905. DOI: 10.1039/D1EE00505G.
4. Polukhin V.A. Characteristics of amorphous, nanocrystalline, and crystalline membrane alloys / V.A. Polukhin, N.I. Sidorov, E.D. Kurbanova, R.M. Belyakova // Russian Metallurgy (Metally). – 2022. –V. 2022. – I. 8. – P. 869-880. DOI: 10.1134/S0036029522080122
5. Pastukhov, E.A. Short order and hydrogen transport in amorphous palladium materials / E.A. Pastukhov, N.I. Sidorov, V.A. Polukhin, V.P. Chentsov // Defect and Diffusion Forum. – 2009. – V. 283-286. – P. 149-154. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.283-286.149.
6. Zhu, K. Improving hydrogen permeability and sustainability of Nb30Ti35Co35 eutectic alloy membrane by substituting Co using Fe / K. Zhu, X. Li, G. Liu et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – I. 55. – P. 30720-30730. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.08.101.
7. Polukhin, V.A. Comparative analysis of termoscale effects, isomerization and stability of TM-nanoclusters (Pd,Ni,Fe) and Si in dependence on interatomic potentials. MD-simulations / V.A. Polukhin, E.D. Kurbanova, A.E. Galashev // EPJ Web of Conferences. – 2011. – V. 15: LAM14 – XIV Liquid and Amorphous Metals Conference. – Art. № 03002. – 3 p. DOI: 10.1051/epjconf/20111503002.
8. Feng, G. Sub-2 nm ultrasmall high-entropy alloy nanoparticles for extremely superior electrocatalytic hydrogen evolution / G. Feng, F.H. Ning, J. Song et al. // Journal of the American Chemical Society. – 2021. – V. 143. – I. 41. – P. 17117-17127. DOI: 10.1021/jacs.1c07643.
9. Zhang, C. Data-mining of in-situ TEM experiments: on the dynamics of dislocations in CoCrFeMnNi alloys/ C. Zhang, H. Song et al. // Acta Materialia. – 2022. – V. 241. – Art. № 118394. – 9 p. DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118394.
10. Polukhin, V.A. Presolidification changes in the structural–dynamic characteristics of glass-forming metallic melts during deep cooling, vitrification, and hydrogenation / V.A. Polukhin, N.I. Sidorov, N.A. Vatolin // Russian Metallurgy (Metally). – 2019. – V. 2019. – I. 8. – P. 758-780. DOI: 10.1134/S0036029519080123.
11. Abdel-Aziz, A.B. Electrodeposition of lead and lead-tin alloy on copper using an eco-friendly methanesulfonate plating bath / A.B. Abdel-Aziz, A.A. El-Zomrawy, M.M.B. El-Sabbah, I.M. Ghayad // Journal of Materials Research and Technology. – 2022. – V. 18. – P. 2166-2174. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.03.004.
12. Белякова, Р.М. Анализ характеристик мембранных сплавов на основе Nb – Ni и V – Ni / Р.М. Белякова, Э.Д. Курбанова, В.А. Полухин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 552-561. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.552.
13. Hong, J.W. Ultrathin free-standing ternary-alloy nanosheets / J.W. Hong, Y. Kim, D.H. Wi et al. // Angewandte Chemie International Edition. – 2016. – V. 55. – I. 8. – P. 2753-2758. DOI: 10.1002/anie.201510460.
14. Liu, C. A lightweight strain glass alloy showing nearly temperature-independent low modulus and high strength / C. Liu, Y. Ji, J. Tang et al. // Nature Materials. – 2022. – V. 21. – P. 1003-1007. DOI: 10.1038/s41563-022-01298-y.
15. Santos, M.D. Effect of Ti/Si and Ti/TiN/Si interlayers on the structure, properties, and tribological behavior of an a-C film deposited onto a C17200 copper-beryllium alloy / M.D. Santos, N.K. Fukumasu, A.P. Tschiptschin et al. // Surface and Coatings Technology. – 2022. – V. 441. – Art. № 128561. – 17 p. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128561.
16. Yang, N. Synthesis of ultrathin PdCu alloy nanosheets used as a highly efficient electrocatalyst for formic acid oxidation / N. Yang, Z. Zhang, B. Chen et al. // Advanced Materials. – 2017. – V. 29. – I. 29. – Art. № 1700769. – 19 p. DOI: 10.1002/adma.201700769.
17. Zhao, H. Rapid and large-scale synthesis of ultra-small immiscible alloy supported catalysts / H. Zhao, D. Zhang, Y. Yuan et al. // Applied Catalysis B: Environmental. – 2022. – V. 304. – Art. № 120916. – 21 p. DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120916.
18. Qin,Y.-C. Noble metal-based high-entropy alloys as advanced electrocatalysts for energy conversion / Y.-C. Qin, F.-Q. Wang, X.-M. Wang et al. // Rare Metals. – 2021. – V. 40. – I. 9. – P. 2354-2368. DOI: 10.1021/acsmaterialslett.9b00414.
19. Li, H. Nano high-entropy materials: Synthesis strategies and catalytic applications / H. Li, H. Zhu, S. Zhang et al. // Small Structures. – 2020. – V. 1. – I. 2. – Art. № 2000033. – 45 p. DOI: 10.1002/sstr.202000033.
20. You, J. Research of high entropy alloys as electrocatalyst for oxygen evolution reaction / J. You, R. Yao, W. Ji, Z. Wang // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – V. 908. – Art. № 164669. – 25 p. DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.164669.
21. Wang, Y. Recent status and challenging perspective of high entropy oxides for chemical catalysis / Y. Wang, J. Mi, Z.-S. Wu // Chem Catalysis. – 2022. – V. 2. – I. 7. – P. 1624-1656. DOI: 10.1016/j.checat.2022.05.003.
22. Takeuchi, A. Classification of bulk metallic glasses by atomic size difference, heat of mixing and period of constituent elements and its application to characterization of the main alloying element / A. Takeuchi, A. Inoue // Materials Transactions. – 2005. – V. 46. – I. 12. – P. 2817-2829. DOI: 10.2320/matertrans.46.2817.
23. Luan, H. Highentropy induced a glass-to-glass transition in a metallic glass / H. Luan, X. Zhang, H. Ding et al. // Nature Communications. – 2022. – V. 13. – Art. № 2183. – 11 p. DOI: 10.1038/s41467-022-29789-1.
24. Yao, Y. Computationally aided, entropy-driven synthesis of highly efficient and durable multi-elemental alloy catalysts / Y. Yao, Z. Liu, P. Xie et al. // Sciences Advamces. – 2020. – V. 6. – № 11. – Art. № eaaz0510. – 10 p. DOI: 10.1126/sciadv.aaz0510.
25. Chen, Y. Synthesis of monodisperse high entropy alloy nanocatalysts from core@shell nanoparticles / Y. Chen, X. Zhan, S.L.A. Bueno et al. // Nanoscale Horizons. – 2021. – V. 6. – I. 3. – P. 231-237. DOI: 10.1039/D0NH00656D.
26. Kipkirui, N.G. HiPIMS and RF magnetron sputtered Al0.5CoCrFeNi2Ti0.5 HEA thin-film coatings: synthesis and characterization / N.G. Kipkirui, T.T. Lin, R.S. Kiplangat et al. // Surface and Coatings Technology. – 2022. – V. 449. – Art. № 128988. – 24 p. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128988.
27. Katiyar, N.K. Electrooxidation of hydrazine utilizing high-entropy alloys: Assisting the oxygen evolution reaction at the thermodynamic voltage / N.K. Katiyar, S. Dhakar, A. Parui et al. // ACS Catalysis. – 2021. – V. 11. – I. 22. – P. 14000-14007. DOI: 10.1021/acscatal.1c03571.
28. Polukhin, V.A. Hydrogenation of deeply cooled melts as an effective method for amorphization and control of the structure of alloys based on d-metals / V.A. Polukhin, E.D. Kurbanova, R.M. Belyakova // Metal Science and Heat Treatment. – 2021. – V. 63. – I. 1-2. – P. 3-10. DOI: 10.1007/s11041-021-00639-z.
29. Wu, Q. High entropy alloys: From bulk metallic materials tonanoparticles / Q. Wu, Z. Wang, F. He et al. // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2018. – V. 49. – I. 10. – P. 4986-4990. DOI: 10.1007/s11661-018-4802-1.
30. Liu, H. A freestanding nanoporous NiCoFeMoMn high-entropy alloy as an efficient electrocatalyst for rapid water splitting / H. Liu, H. Qin, J. Kang et al. // Chemical Engineering Journal. – 2022. – V. 435. – Part 1. – Art. № 134898. – 27 p. DOI: 10.1016/j.cej.2022.134898.
31. Li, S. Nanoporous high-entropy alloys with low Pt loadings for high-performance electrochemical oxygen reduction / S. Li, X. Tang, H. Jia et al. // Journal of Catalysis. – 2020. – V. 383. – P. 164-171. DOI: 10.1016/j.jcat.2020.01.024.