陳頌陽，王璐，邱曉清，李文章，程新園,＊

1中南大學化學化工學院，長沙 410083

2中南大學粉末冶金研究院，長沙 410083

自青銅鐵器時代以來，合金家族已有幾千年的歷史。大多數(shù)合金家族的成員都是以一種或兩種主要元素作為基因，例如合金鋼是Fe元素和C元素的結(jié)合，并在此基礎(chǔ)上使用合金特有的基因編輯技術(shù)，加入其他元素基因，以提高合金的性能。但近年來，合金家族的成員們都逐漸遇到了自己難以突破的瓶頸。20世紀90年代，得益于熱力學上的高熵效應[1]，高熵合金(HEAs)應運而生。溶液體系熱力學理論的知識告訴我們，理想溶液混合過程，熵值增加，ΔmixS= -R（nAlnxA+nBlnxB+ …），混合吉布斯自由能會相應降低，ΔmixG=RT（nAlnxA+nBlnxB+ …）[2]。高混合熵會降低ΔmixG，在所有可能形成的相中，固溶相的ΔmixG是最低的。因此高混合熵會促進合金的無序化，由多主元合金形成的簡單固溶體結(jié)構(gòu)，成員之間相容性更高，結(jié)構(gòu)往往更穩(wěn)定[3]。

但根據(jù)傳統(tǒng)合金的經(jīng)驗，在多主元合金體系中將會形成大量的金屬間化合物或其他復雜相[4]。高熵合金的提出被認為是離經(jīng)叛道而備受質(zhì)疑。

然而就在2004年的一個晚上，體內(nèi)蘊含著五種等比例金屬基因的多主元合金——高熵合金(HEC)[3]在熔煉爐里發(fā)出了第一聲啼哭，葉均蔚教授充滿了期待和好奇，眼神中還帶有一絲不確定，但更多的是興奮和激動！

高熵合金，在這一天，成功問世，在質(zhì)疑中開始成長！

……

一晃十八年過去了，高熵合金的小輩們在2023年迎來了他們的成人禮。

這一天，鑼鼓喧天，鞭炮齊鳴，各家各系，西裝長裙。

鎂鋁合金作為合金家族最靚麗的風景線，身著銀白色禮裙，站上了舞臺，卓越的身姿引得不少人尖叫歡呼。她走到舞臺中央站定，先向臺前鞠了一躬，不緊不慢地開始了今天的主持：“星辰不問趕路人，時光不負追夢人。高熵合金的孩子們，很榮幸能作為你們成年這一天的引路人。你們每一位成員都是我們合金家族的驕傲，希望你們能汲取九萬里風鵬正舉的力量，在未來的每一天都能取得進步，也預祝各位今天能贏得更多的掌聲！”現(xiàn)場熱烈的掌聲如浪濤般經(jīng)久不息。

“讓我們有請今天第一位少年——耐磨高熵合金。”耐磨高熵合金整了整領(lǐng)帶，一遍又一遍地梳理自己的大背頭，滿意地對著鏡子里的自己打了個響指，大步流星跨上舞臺，向大家揮手道：“大家好，我是耐磨高熵合金，我拜于鈦合金和鐵合金[5,6]老先生門下，學習了多年的金屬切割本領(lǐng)，練就了一身耐磨耐高溫的硬本領(lǐng)。不僅如此，仰仗于高熵效應，在切割過程中，溫度上升帶來的互溶性提高還能讓我的肌肉更有型和有力！”

說著，他脫下外面的氧化西裝，開始展現(xiàn)自己的絕活，對一塊硬質(zhì)合金就開始了雕刻。隨著刀頭的極速旋轉(zhuǎn)，場上的溫度越來越高，耐磨高熵合金的身體也微微發(fā)紅，但他八塊腹肌和肱二頭肌周圍的線條肉眼可見地清晰了，吸引了一眾姐妹們的尖叫與歡呼。

“高溫難熔合金始終是航空航天的一塊心病，鎢合金和鉬合金兩位前輩一直在默默探索[7]。但是兩位先生雖然身形略顯瘦削，重量卻一點不輕，這也限制了他們在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展。高熵合金在兼顧兩位優(yōu)點的同時通過替換部分基因，實現(xiàn)減肥的功效。讓我們有請難熔高熵合金閃亮登場?！?/p>

突聞入場口一聲響亮的大喊：“耐磨大哥身材還是那么健碩！”但見一人，面龐黢黑，一雙炯炯有神的眼睛里閃爍著嚴肅而堅毅的目光，身著軍綠色軍裝，身型挺拔，邁著矯健的步伐走上了舞臺，在耐磨合金身邊站定，好似一塊磐石。耐磨高熵合金略微有些驚訝地說道：“難熔合金兄弟，真是稀客啊，我還以為你趕不回來了?！?/p>

難熔高熵合金依然保持著英姿颯爽的立正姿勢，略表歉意：“平日里工作繁忙，確實回來得少，但成人禮還是一定要回來的！大家好，我是難熔高熵合金[8]，在國家航空航天基地工作，所以不?；丶?。如大家所知，火箭發(fā)射升空過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)得非?？?，這導致不少前輩承受不了工作環(huán)境而被迫退出。為了幫助發(fā)動機兄弟可以成功完成任務，我應征入伍，加入航空航天基地。自2006年參軍以來，我在鎢合金、鉬合金等多位前輩的指導下，已經(jīng)學習鍛煉16年。在1500 K溫度以上的環(huán)境中，我依然能堅毅不倒，甚至充滿活力圓滿完成任務?！彪y熔高熵合金對著幾位長輩行了舉手禮，幾位長輩也笑著點了點頭。他繼續(xù)說道：“2022年11月，由航天科技集團一院研制的長征二號F運載火箭成功將神舟十五號載人飛船送入太空(見圖1)，圓滿完成了中國空間站在軌建造階段的最后一次發(fā)射任務[9]。這其中，有鋁合金、鎂合金等前輩的卓越貢獻。目前我也跟著鋁合金、鎂合金兩位前輩學習新的減重技能，希望能借助兩位前輩的經(jīng)驗，成為新一代航空航天材料的主力軍！也為鎢合金和鉬合金前輩實現(xiàn)太空夢！”

圖1 神州十五號發(fā)射[10]

鋁合金贊許地點點頭，鎂合金也露出了微笑，雖然他曾竭力反對高熵合金的誕生，認為那是對過去幾千年合金發(fā)展經(jīng)驗的褻瀆，但難熔高熵合金的表現(xiàn)在過去18年里一步一步地征服了他。目前鎂合金、鋁合金和高熵合金的后輩們在各個領(lǐng)域都有不同程度的合作、交流和溝通，未來，他們也將帶領(lǐng)著合金家族重整旗鼓，走向下一個頂峰。

“接下來要上場的，是我們的化妝師，他就是高熵合金涂層?！?/p>

高熵合金涂層剛剛還躺在椅子上打盹，聽到自己的名字，立刻收起困倦，帶著瓶瓶罐罐走上臺。他整理了身上的裝備，鞠了一躬，熱情地說道：“各位爺爺奶奶叔叔阿姨哥哥姐姐們，大家上午好！我叫高熵合金涂層，今天工作比較多，忘記卸下了身上的化妝品。我這些裝備的發(fā)展大多都建立在同胞們的基礎(chǔ)上，更離不開大家的鼎力相助。別看我身材這么瘦小，我的本領(lǐng)可大著呢！我化的妝可以讓兄弟們更加好看、能力更強，更兼顧其他意想不到的能力。我和耐磨高熵合金哥哥很早就有合作，在我的幫助下，合金刀頭可比原來厲害多了[11]，而且就像耐磨高熵合金哥哥所說的，溫度越高我的結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定，也能提供更優(yōu)異的性能。雖然我還沒有實現(xiàn)全面應用，但我可是極限雕刻切割條件下的不二之選?！迸_下漸漸地贊嘆紛紛。

高熵合金涂層的臉上充滿了藏不住的神氣：“不僅如此，我們還可以作為核燃料和高壓容器的熔覆材料、硬質(zhì)合金等材料的焊接釬料、銅與硅介質(zhì)材料的擴散阻擋層等。我們未來的市場可大了！”說著，還比了個夸張的手勢。

這時主持人鎂鋁合金感嘆道：“再多的石油也會有燃燒殆盡的一天，再多的煤炭終有用完的一天，新能源始終是當今能源領(lǐng)域的研究前沿，而可控核聚變正是無盡能源的一大重點研究方向。實現(xiàn)可控核聚變的條件十分苛刻，硬件要求極高，這一點我們的釩合金[12]先生深有體會，我們的抗輻照高熵合金朋友也正在這一領(lǐng)域進行探索?！?/p>

抗輻照高熵合金環(huán)顧四周，轉(zhuǎn)了一圈，左手撐起了腰桿，徐徐道：“核聚變不僅屬于清潔能源，污染小，而且每千克原料放出的能量是核裂變的四倍。這么龐大的能量沒有一個能裝的容器那可怎么行？我榮幸被賦予這一難題的攻克[13]！身為高熵合金系的我，在高溫下的穩(wěn)定性已經(jīng)由前幾位哥哥介紹過了，而最近我可是經(jīng)歷了高劑量金離子輻照，不僅沒有高強度損傷，還能優(yōu)秀地完成任務?！?/p>

臺下掌聲雷動，幾位德高望重的家族長老眼里也閃著金光，可控核聚變的意義是不言而喻的，而這一技術(shù)的突破也必將使得合金家族一舉站上材料領(lǐng)域金字塔塔尖的位置。

“不過，”一聲轉(zhuǎn)折，讓會場瞬間安靜了下來，“核聚變產(chǎn)生的輻射多為中子輻射，當前我們還是以離子和電子輻照為主進行測試[14]，中子輻照的實驗我還沒嘗試過，但我一定會努力達到能承載核聚變反應的要求。在成人禮之后，我也會肩負起我的使命，有一分光發(fā)一分熱！”

……

越來越多高熵合金的成員們上臺介紹了自己的發(fā)展和目標，也宣誓了自己成年后的志向與目標。今日他們相聚于此，明天他們就將各奔東西，去美國橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯伯克利實驗室、麻省理工學院，去日本東北大學，去中國中南大學繼續(xù)學習深造。未來他們或許都要面對著形成機理的未知而導致的無法確切定義與分類、性能的不可預測導致的計算模擬難、成本超出預期導致的工業(yè)應用難、超高溫(1800 K以上)導致的高熵合金開發(fā)難、高熵效應導致的熱力學相分解計算難等一系列難題[15]，但今天的他們是十八歲意氣風發(fā)的小伙子，是合金家族走出開發(fā)瓶頸的一大希冀。

最后，高強鋼前輩上臺做了結(jié)束語：“今天很高興看到這么多年紀輕輕能力不凡的高熵合金年輕一輩，真是‘長江后浪推前浪’。我學習了他們的高熵設(shè)計理念，也做了一些工作新嘗試，發(fā)現(xiàn)用新的思路設(shè)計我們這些老骨頭[16]，也有新發(fā)現(xiàn)。我們合金家族的成員要相互學習，共同進步。祝今天成年的高熵合金年輕一代，春風得意馬蹄疾，一日看盡長安花！”頓時會場響起一陣熱烈而持久的掌聲，如一團熊熊燃燒的火焰，照亮每一位合金家族成員的心靈。

年輕的高熵合金，不一定是未來合金家族的唯一出路，但如白春禮教授[17]在21世紀元年所展望的那樣：“國民生活質(zhì)量的提高將得益于化學的發(fā)展，在化學的支撐下, 我國的國民經(jīng)濟將更上一個新的臺階！”高熵合金的發(fā)展也必將為化學材料領(lǐng)域提供新的成果，助力材料在機械制造、海洋工業(yè)、核能發(fā)電、航空航天、軌道交通等行業(yè)大放異彩！