研究人员表示，一项发现揭示了多主元素合金(MPEA)中原子以令人惊讶的方式排列并找到它们喜欢的邻居，这可以使工程师“调整”这些独特而有用的材料，以增强其在从先进发电厂到航空航天技术等特定应用中的性能。
MPEA 代表了一种新颖的合金设计方法，与通常含有一两种主要元素的传统合金有很大不同。相反，MPEA 由原子比几乎相等的多种主要元素组成。
该设计策略于 2004 年首次公布，有望创造出一类新料，该材料具有航空航天、汽车或类似行业所需的特性，例如在极端温度下也非常坚韧。
宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学及核工程助理教授杨阳 (Yang Yang) 表示：“以前，钢等合金的设计都包含一两种主要元素和微量元素，以提高性能。MPEA采用不同的方法，所有成分都是主要元素。”杨阳是8 月 1 日发表在《自然通讯》上的这项研究的共同通讯作者。
在理解 MPEA 方面存在的一个主要差距是短程有序 (SRO) 的形成和控制，它指的是原子在短距离(通常只有几个原子宽)内的非随机排列。
研究人员发现，SRO 是 MPEA 的固有特性，在制造此类材料时，在凝固过程中形成，其中涉及液体成分的硬化。SRO 的特点是原子以特定顺序聚集，而不是像蔬菜汤中成分的位置那样完全随机。这种聚集会影响 MPEA 的属性，例如强度或导电性。
“此类材料主要应用于机械性能至关重要的结构应用，比如核反应堆或航空航天部件，”杨先生说道，他同时也是材料研究所的成员。
研究人员的研究结果挑战了之前的观点，即如果凝固过程中的冷却速度很快，MPEA 中的元素就会随机排列在晶格中。它还挑战了 SRO 主要在退火过程中发展的观点，退火过程中加热和逐渐冷却可增强材料的微观结构，从而改善强度、硬度和延展性等性能，或提高在不断裂的情况下承受机械应力的能力。
该团队采用先进的增材制造技术和改进的半定量电子显微镜方法研究了钴/铬/镍基 MPEA 中的 SRO。令人惊讶的是，他们发现 SRO 是在凝固过程中形成的，无论冷却速度或热处理如何。
“我们发现，即使在极高的冷却速度下，高达每秒 1000 亿摄氏度，SRO 仍然会形成，”加州大学欧文分校机械和航空航天工程及材料科学与工程助理教授、该研究的共同通讯作者曹鹏辉说。“这与之前认为 SRO 仅在退火过程中形成的信念相反。”
详细的计算机模拟证实了这一点，模拟显示，当金属冷却和凝固时，原子会快速地组织起来。
杨教授表示，这一发现对材料科学和工程具有深远意义。了解 SRO 是固有的，并在凝固过程中形成，意味着传统的热处理方法可能无法有效控制它。
“我们的研究结果表明，SRO 在具有面心立方结构的 MPEA 中普遍存在——一种形状像立方体的晶体结构，每个面上有六个原子——并且无法通过实验中可实现的典型冷却速率来避免，”杨说。“这一认识有助于解决该领域关于 SRO 在增强材料机械强度方面的作用的长期争论。”
研究人员还发现，SRO 的普遍性使他们能够“调整” MPEA 以获得特定属性。
曹说：“通过机械变形或辐射损伤，可以控制 MPEA 中的 SRO 程度。这为通过调整 SRO 控制机制来设计材料特性提供了一个新的维度。”
杨教授表示，这项研究标志着对 MPEA 及其固有特性的理解迈出了重要一步。通过揭示 SRO 是凝固过程中形成的必然特性，这项研究为材料设计和工程开辟了新的可能性。
杨说：“了解原子如何在快速冷却下找到它们的邻居，有助于我们控制这些创新材料的结构并提高其性能。这仍处于基础科学阶段，我期待着看到它如何发展。”
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