由金、银、铜、铁和锡等常见金属作为工具、武器、饰品主要材料的时代已成为过去，如今各种具有神奇特性的新型材料屡见不鲜，石墨烯、碳纳米管、高熵合金等词汇不断地出现在人们的日常生活里，也有人说21世纪是生物技术与材料科学的时代。

今天我们着重提到的是具有突破传统材料诸多性能极限、最具潜力的合金材料——高熵合金。

1、高熵合金是个啥？

1993年，英国剑桥大学的科学家提出了著名的“混乱原理”，他认为合金材料的熵越高，越容易形成一种非晶态的结构。与此同时，台湾学者叶均蔚等人提出了新颖的合金设计思路，设计一种具有多个组元、高混合熵的合金，并为它命名为高熵合金。

高熵合金（High-entropy alloys）简称HEA，是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。具有良好的极端环境力学性能和抗腐蚀、催化、储氢等功能性能，具有广泛的应用前景。

高熵合金中的“熵”是一个重要的概念。熵，表示一个体系内的混乱程度，越混乱熵就越高，越有秩序熵就越低。

根据热力学第二定律，在自然界中，一切孤立的系统都会向熵增大的趋势发展。

换而言之，由许许多多物体组成的整体，不考虑外界的影响时，不管之前多么地井然有序，随着时间推移，总是会变得越来越混乱。合金是由不同的原子构成，包括金属原子和非金属原子。合金内部的原子种类越多，原子互相之间排列得越混乱、越无序，合金的熵就越高，我们称这种“熵”为合金的“组态熵”。

高熵合金，顾名思义，就是组态熵很高的合金，其内部微观结构混乱，原子排布随机、无序。

这种合金是通过对高温液态金属快速冷却（快速淬火）实现的。当合金处于液态时，内部的原子运动十分剧烈，排列也十分随机，如果此时缓慢地给合金降温，使其凝固，原子会重新排列，相对整齐地排在一起，凝固成普通的合金。

如果快速为液态合金快速降温，其内部的原子还没来得及重新排列就因为凝固，被固定在了各自的位置，其排列方式依然像液态时那样随机、无序，形成“高熵合金”。

这个时候，合金就具备了一些良好的性质，比如说低温下塑性比较好，不容易因温度过低而脆裂，高温下强度也很高，依然具有较高的机械强度。

研究表明，高熵合金具有众多优于传统合金的优异性能。目前，性能上的五大效应已被证实，其分别为低层错能、热稳定性、抗辐照、抗腐蚀以及易于克服性能上的“trade-off”效应。

2、高熵合金的“用武之地”

独特的设计理念，赋予了高熵合金众多优异的性能，如良好的低温力学性能、耐蚀耐磨性能、耐高温、优异的软磁性能等，在工程应用领域展现出了远大的发展前景。那让我们共同了解一下，看似小小的“高熵合金”，又在哪些领域发挥它的“光和热”呢？

（1）高熵软磁材料

典型的软磁材料，可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度。软磁材料易于磁化且易于退磁，广泛适用于电工设备和电子设备中。经研究表明，一些高熵合金体系具有优异的软磁性能。同时，可以解决目前常规软磁材料的力学性能差，铸造性能不稳定的缺陷；在电机、变压器等工业领域展现出了非常大的发展潜力。

（2）高温合金材料

高温合金是指能够在高温及一定应力条件下长期工作的金属材料，需具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，是发动机热端部件不可替代的关键材料。经研究表明，高熵合金在高温的条件下，具有非常优异的高温稳定性和抗氧化性，这为一些在极端环境服役下的器件研发提供了新的方向。如在发动机叶片，高温服役工程材料上，高熵合金均展现出了非常大的发展潜力。

（3）硬质刀具涂层

通过在硬质合金刀片的表面涂覆上一层高硬、耐磨的合金薄层，作为常用的车、铣、刨、磨常用工具刀的保护涂层。高熵合金的高硬、高强的特点刚好可以满足这一需求。

（4）高熵光热转换材料

通过反射、吸收或其它方式把太阳辐射能集中起来，转换成足够高温度，以有效地满足不同负载的要求。特殊的服役环境要求材料在具有良好的高温稳定性的同时，需要具有优异的耐蚀性能、较低的膨胀率及耐候性。研究表明，高熵合金薄膜具有优异的耐蚀性能及耐高温性能；这为提高光热转换效率提供了新的发展潜力。

（5）轻质高熵合金材料

轻量化是未来材料发展的一个重要方向，近年来高熵合金也开展了轻质材料的研究，并开始实现商业化应用。常见的有手机壳，手机卡槽等精密期间。

（6）其他

高熵焊纤材料、低活化高熵合金、模具材料、催化材料，半导体扩散阻挡层材料。

3、关于高熵合金的“未来”方向

高熵合金材料的未来发展方向，是科学家们在发展一类新材料时最关心的问题。只有选择正确的研究方向，才能“事半功倍”，让高熵合金更好的应用到我们的日常生活甚至国防工程中。在高熵合金未来的发展中，有两个最值得关注的发展方向：

（1）寻求材料发展的高“性价比”区域

从传统合金到高熵合金，材料的发展呈现了一个“熵增加”的发展趋势。但是，实验结果表明，混合熵与材料的性能之间为非线性关系，简言之，并非是合金材料的混合熵值越高，合金性能越好；所以，一味的追求“高熵”并不能够使材料的性能得到无限的优化。根据统计获得的合金“性价比”图可以发现，最具性价比的区域不是高熵合金区域，而是位于中熵合金和高熵合金的交界处，例如高温合金、非晶合金、不锈钢、中熵合金等更具成本效益。所以这一区域将会是未来材料发展的关键区域。

（2）高效率的材料研发方式

高熵合金具有优异的力学性能、耐高温性能，耐磨、耐蚀性能，在众多领域均展现出了非常大的发展潜力。但高熵合金薄膜研究起步较晚，推进其工业化应用仍有一段距离。相较于传统的合金材料，高熵合金成分复杂；且性能与熵值不存在线性关系，无法仅利用混合熵设计出具有优异性能的多组分材料。然而，材料的设计和制备是一个漫长的过程，那么怎样提高效率也是推进高熵合金发展的主要问题。

在这种情况下，实现高通量技术是非常有必要的。如果把合金材料比喻成海洋，开发新的合金体系比喻成海洋里各种各样的鱼；从传统制备方法的角度出发，科研者就像是“垂钓者”，一次只能获得一个合金体系，这样“单次一个”的模式无疑降低了材料的研发效率。如果我们的科研者可以变成“撒网者”，单次可以获得多个合金的体系，这种模式在很大程度上可以加快材料的研发进程。所以，高通量技术其实是一种并行制备技术，可以在单次制备的条件下，同时完成多个合金体系的制备，从而推动高熵合金的快速发展。

高熵合金目前正值快速发展阶段，我国也已成为国际研究领域的重要力量。如今，高熵合金作为材料界的新秀吸引着越来越多科学家的目光。虽然有着许多需要亟需解决的问题，但这阻碍不了科学家们永不停歇的脚步。合金材料界的“新秀”-高熵合金，前景可待，未来可期！