北科大这支团队《Nature》子刊一月双发！

　　近日，北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平教授团队一月内在《Nature Communications》连续发表两篇论文。

　　吕昭平教授团队研究成果介绍

　　01

　　高熵非晶合金中的连续多形性转变

　　非晶态多形性转变（Polyamorphic Transition，简称PT）是一种广泛存在于玻璃态材料中的物理现象，为有效调节玻璃的结构和性能提供了一条重要途径。深入理解PT对于揭示玻璃材料的形成机制及其结构特性具有重要的科学意义与实用价值。在传统非晶合金体系中，PT通常呈现出明显的一级相变特征。与氧化物和分子玻璃不同，非晶合金通常由多种组成元素构成，从而导致原子堆积排列的复杂性和多样性。因此，构型熵有望对非晶合金的相变和相关特性产生影响。尽管高熵效应被认为有利于高熵非晶合金中PT的发生，但目前高熵非晶合金中的PT现象仍被认为与在传统非晶合金中观察到的类似。

　　成果掠影

　　新金属材料国家重点实验室吕昭平、刘雄军教授团队与合作者报道了高熵非晶合金在加热过程中出现的一种缺乏一级相变特征的连续非晶态多形性转变（Continuous PT，简称CPT）。在高构型熵的驱动下，该转变现象导致了元素的重新分布及中短程有序化。这种特性得益于高构型熵带来的巨大构型空间，显著增强了原子排列灵活性和可调性。此外，高构型熵抑制了原子重排的距离和频率，是导致CPT的动力学因素。尤为重要的是，在CPT过程中，并未观察到体积和结构的突变，而是形成了多种成分相同而结构和性能不同的非晶态产物。这些特性使得高熵非晶合金成为研究非晶态材料结构与性能内禀关联的理想模型系统。因此，本研究结果不仅为理解非晶合金中PT的性质提供了新的见解，也为探索这些材料丰富而复杂的物理行为提供了新的机遇。

　　相关工作以“Continuous polyamorphic transition in high-entropy metallic glass”为题在线发表在《Nature Communications》上。论文第一作者为博士生曹一欢。

　　数据概览

　　高熵非晶合金中的多形性转变及其量热行为

　　高熵非晶合金在CPT过程中的结构演变

　　高熵非晶合金在CPT过程中的原子有序化机制

　　高熵非晶合金中CPT和传统非晶合金中PT的势能图景

　　02

　　单相轻质高强高熵铝合金

　　随着对节能结构材料需求的不断增长，开发轻质高强度的铝合金一直是人们的追求。通常，铝合金中铝的含量超过85%，要进一步降低密度，需引入更多轻元素。然而，超出这些元素在铝中的溶解度极限，可能导致合金主要由金属间化合物（IMC）组成，缺乏延性面心立方（FCC）基体，从而导致力学性能恶化。此外，强度通常随着密度的降低而降低，这导致在铝合金中实现高比强度具有很大的挑战性。基于复杂浓缩合金（CCA）概念引入高构型熵已被证明是一种有效的方法，可以稳定固溶体相，防止形成远超传统溶解度极限的IMC。单相固溶体铝基CCA的缺乏主要是由于铝和其他轻元素之间原子半径和电负性差异显著，导致体系高混合焓（H）和低过剩熵（SE）。在这种情况下，化学有序的IMC更容易形成。尽管升高温度可以增强熵效应，提高某种元素在另一种元素中的溶解度，但是对于铝合金来说，在高温熔体淬火凝固过程中仍然容易形成金属间化合物，因此仅通过升高温度产生的熵效应仍然不够。

　　成果掠影

　　为解决这一问题，北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平、吴渊教授团队与北京高压科学研究中心曾桥石研究员合作，提出了一种新方法，通过高温高压手段，直接将铝基CCA中的多种脆性相转变为单相延性固溶体。成功开发出一种单相FCC结构的铝基CCA，其密度低至2.40 g/cm3（低于大多数铝合金~2.8 g/cm3），比屈服强度达到344×103 N·m/kg（目前铝基合金通常约为200×103 N·m/kg）。分析表明，单相CCA的形成归因于高压下溶质元素与铝之间原子尺寸和电负性差异的减少，以及高温高压条件下的协同高熵效应。超高的强度来自于单一FCC晶格中多种元素导致的固溶强化，以及纳米级化学波动引起的位错钉扎效应。

　　相关工作以“Lightweight single-phase Al-based complex concentrated alloy with high specific strength”为题在线发表在《Nature Communications》上。论文第一作者为博士生韩明亮。

　　核心创新点

　　• 单相铝基CCA开发：创新性引入高温高压技术，成功将多相IMC转化为单相FCC结构，开发了一种新型的轻质单相铝基复杂浓缩合金（CCA）。

　　• 优异的力学性能：开发的单相铝基CCA超低的密度源于额外量更轻元素（Li、Mg）的引入；高比强度主要源于固溶强化、局域化学成分波动强韧化。

　　• 合金设计普适性：建立了高温高压制备单相轻质CCA固溶体的普适性准则，为更多轻质CCA的设计开发提供了指导。

　　• 广阔的成分设计空间：本研究成功将铝合金从相图端际拓展到未开发的中间区域，提供了更广阔的成分设计空间，为高性能铝合金的开发带来了新机遇！

　　数据概览

　　铸态和高温高压合成的Al55Mg35Li5Zn5样品的表征

　　力学性能

　　单相Al55Mg35Li5Zn5 CCA的变形行为

　　原位高压同步辐射揭示单相FCC的相形成机制

　　元素半径、局部原子应变（λ）、电负性和过剩熵（SE）随压力的变化

　　该综述论文指出了里德堡原子阵列和Fermi Hubbard模型中衍生出规范理论的相通之处