1. Origen del nombre
Como una estrella en ascenso en el campo de los materiales de aleación, el nacimiento de aleaciones de alta entropía (HEA) está estrechamente vinculada al concepto de entropía. Pero, ¿qué es exactamente la entropía? Antes de presentar los misterios de las aleaciones de alta entropía, exploremos primero el mundo de la entropía.
El concepto de entropía fue introducido por el físico alemán Rudolf Clausius en 1865. En la termodinámica, la entropía es un parámetro que describe el grado de trastorno en un sistema, cuanto mayor sea el trastorno, mayor será la entropía.
Para comprender mejor este concepto, usemos una clase de educación física (PE) como ejemplo:
Estado de baja entropía: cuando todos los estudiantes usan el mismo uniforme con solo unas pocas excepciones, se paran en filas ordenadas y realizan ejercicios de calentamiento en una formación compacta, su rango de movimiento es limitada y la entropía del sistema es baja.
Estado de alta entropía: cuando los estudiantes usan una variedad de atuendos, se dispersan después de que la formación se descarta y participa en actividades libres, el rango de movimiento aumenta y la clase se vuelve más desordenada, lo que resulta en un estado de alta entropía.
Por analogía, podemos pensar en cada estudiante como una unidad atómica en una aleación. Cuando los átomos se organizan de manera ordenada, similar a los estudiantes que se forman en formación, el sistema de aleación está en un estado de baja entropía. Por el contrario, cuando los átomos se distribuyen al azar y se mueven libremente, el sistema alcanza un estado de alta entropía.
En comparación con las aleaciones convencionales, este recién llegado al mundo de la aleación tiene un valor de entropía más alto. Por lo tanto, los científicos de materiales la llamaron aleación de alta entropía. En este contexto, la "alta entropía" se refiere al alto grado de trastorno químico o topológico a escala atómica, lo que significa que la disposición atómica dentro de la aleación es altamente caótica. Ahora que hemos introducido el concepto de aleaciones de alta entropía, exploremos cómo se descubrió este fascinante material.
2. El descubrimiento de aleaciones de alta entropía
La base para descubrir aleaciones de alta entropía se colocó a fines del siglo XVIII. El científico y metalúrgico alemán Franz Karl Achard realizó un estudio innovador en el que preparó una serie de aleaciones de múltiples componentes que contenían de cinco a siete elementos. Sin embargo, este trabajo innovador fue pasado por alto en gran medida por metalurgistas en todo el mundo.
No fue sino hasta 1963 que el profesor Cyril Stanley Smith (Smith, 1963) notó e informó esta investigación. Según los registros experimentales existentes, ahora se cree que este fue uno de los primeros estudios relacionados con las aleaciones de alta entropía.
Desafortunadamente, debido a la falta de atención, el progreso en las aleaciones de alta entropía estancadas durante décadas. No fue hasta la década de 1990 que se reavivó el interés en las aleaciones de alta entropía. En 1993, los científicos de la Universidad de Cambridge propusieron el "principio de confusión", lo que sugiere que las aleaciones con mayor entropía tienen más probabilidades de formar estructuras amorfas. Casi al mismo tiempo, el erudito taiwanés Yeh Jien-Wei y su equipo introdujeron una innovadora aleación de aleaciones de diseño de conceptos con múltiples elementos principales y entropía de alta mezcla, que llamaron aleaciones de alta entropía.
Sin embargo, el progreso científico a menudo lleva tiempo. A pesar de la introducción de este concepto, los resultados de la investigación relacionados permanecieron inéditos durante años.
Finalmente, en 2004, el profesor Cantor del Reino Unido realizó un experimento en el que derritió una aleación de entropía de alta mezcla. Sorprendentemente, en lugar de formar la estructura amorfa anticipada, la aleación desarrolló múltiples fases cristalinas frágiles. Este hallazgo contradijo el principio de confusión, pero confirmó la teoría del diseño de Yeh. Este descubrimiento inesperado marcó oficialmente el nacimiento de aleaciones de alta entropía.
Para explicar este fenómeno fascinante, el profesor Zhang Yong, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing, proporcionó ideas teóricas, estableciendo las bases para futuras investigaciones sobre HEAS. Desde entonces, las aleaciones de alta entropía han surgido como una estrella brillante en el campo de los materiales de aleación.
A medida que crece el entusiasmo de la investigación, el concepto de aleaciones de alta entropía se ha expandido rápidamente a campos relacionados como:
Cerámica de alta entropía
Películas delgadas de alta entropía
Aceros de alta entropía
Superalloys de alta entropía
Aleaciones livianas de alta entropía basadas en Al-MG
Aleaciones duras de alta entropía
3. Características únicas de aleaciones de alta entropía
Las aleaciones de alta entropía introducen una perspectiva novedosa en el diseño de aleación, basado en el principio de entropía configuracional. En comparación con las aleaciones convencionales, los HEA cuentan con conceptos de diseño distintivos y propiedades únicas. Su singularidad puede entenderse a partir de los siguientes cuatro aspectos:
(1) Características de composición
HEAS incorpora múltiples elementos principales para introducir el trastorno químico, sin un solo elemento dominante. A diferencia de las aleaciones tradicionales, que generalmente tienen un elemento base primario, los HEA consisten en múltiples elementos de aleación importantes. Las características clave del diseño de composición de HEA incluyen:
1. La aleación debe contener al menos cinco elementos diferentes.
2. El porcentaje atómico de cada elemento debe estar entre 5% y 35%.
(2) Características de desarrollo
A medida que avanza la investigación, el concepto de aleaciones de alta entropía ha evolucionado a través de tres etapas principales:
Heas de primera generación:
Consisten en cinco o más elementos de aleación.
Los elementos son equiatómicos (relaciones atómicas iguales).
Estructura: aleación de solución sólida compleja de complejo monofásico.
Heas de segunda generación:
Consisten en cuatro o más elementos de aleación.
Relaciones de elementos no equipómicos.
Estructura: aleación de solución sólida de complejo de doble fase o complejo múltiple.
Heas de tercera generación:
Se expandió a películas delgadas y cerámicas de alta entropía.
(3) Características estructurales
A pesar de sus múltiples componentes elementales, las aleaciones de alta entropía generalmente forman estructuras de fase relativamente simples tras la solidificación. Una solución sólida disuelta al azar es la estructura característica de HEAS, a menudo exhibiendo:
Estructuras cúbicas centradas en la cara (FCC)
Estructuras cúbicas centradas en el cuerpo (BCC)
Estructuras hexagonales llenas de estrecho (HCP)
Además, las fases amorfas también pueden formarse en algunos HEA.
Conclusión
Las aleaciones de alta entropía representan un avance revolucionario en el campo de los materiales de aleación. Su composición única, un enfoque de diseño novedoso y propiedades prometedoras las hacen muy valiosas para los materiales estructurales y funcionales de próxima generación. Con una investigación en curso, se espera que HEAS jueguen un papel fundamental en las aplicaciones que van desde las industrias aeroespaciales y automotrices hasta los campos de energía, electrónica y biomédicos.
Figura 1 Estructura de fase de aleación de alta entropía
(4) Características de rendimiento verificadas
La investigación ha demostrado que las aleaciones de alta entropía (HEA) poseen numerosas propiedades superiores en comparación con las aleaciones tradicionales. Actualmente, se han confirmado científicamente cinco efectos principales de rendimiento de HEAS:
1. Energía de fallas de apilamiento.
2. Estabilidad térmica
3. Resistencia a la radiación
4. Resistencia a la corrosión
5. Mitigación del efecto de compensación de desempeño
4. Aplicaciones prácticas: donde brillan las aleaciones de alta entropía
Los principios de diseño únicos de las aleaciones de alta entropía les otorgan una gama de propiedades sobresalientes, que incluyen un excelente rendimiento mecánico de baja temperatura, corrosión y resistencia al desgaste, estabilidad de alta temperatura y propiedades magnéticas blandas excepcionales. Estas ventajas le dan a HEAS un inmenso potencial en aplicaciones de ingeniería. Exploremos algunos campos clave donde las aleaciones de alta entropía demuestran sus notables capacidades.
(1) Materiales magnéticos blandos de alta entropía
Los materiales magnéticos suaves se caracterizan por lograr la máxima magnetización con campos magnéticos externos mínimos. Son fáciles de magnetizar y desmagnetizar, lo que los hace ampliamente utilizados en equipos eléctricos y electrónicos.
Los estudios han demostrado que ciertos sistemas de aleación de alta entropía exhiben excelentes propiedades magnéticas blandas. Además, ayudan a superar las deficiencias de los materiales magnéticos suaves convencionales, como las propiedades mecánicas deficientes y el rendimiento de fundición inestable. Como resultado, HEAS tiene un gran potencial para aplicaciones en motores eléctricos, transformadores y otros sectores industriales.
(2) Materiales de aleación de alta temperatura
Las aleaciones de alta temperatura son materiales metálicos que pueden operar a altas temperaturas y condiciones de estrés específicas durante períodos prolongados. Estas aleaciones requieren:
Fuerza excepcional de alta temperatura
Excelente resistencia a la oxidación y corrosión térmica
Buena resistencia a la fatiga y dureza de la fractura
Son indispensables para los componentes del motor. La investigación indica que las aleaciones de alta entropía exhiben una notable estabilidad térmica y resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas. Este avance ofrece nuevas posibilidades para desarrollar componentes que operan en entornos extremos, como:
Cuchillas de turbina del motor
Materiales de ingeniería de alta temperatura
(3) recubrimientos de herramientas duras
Los recubrimientos de herramientas duras implican depositar una capa delgada de aleación de alta duradera, resistente al desgaste en superficies de herramientas de corte para proteger las herramientas de giro, fresado, planificación y molienda. La alta dureza y la fuerza de HEAS los convierten en candidatos ideales para tales recubrimientos, mejorando efectivamente el rendimiento de la herramienta y la longevidad.
(4) Materiales de conversión fototérmica de alta entropía
La conversión fototérmica se refiere al proceso de concentración de energía de radiación solar a través de la reflexión, absorción u otros mecanismos para lograr temperaturas suficientemente altas y satisfacer diversas demandas de energía.
Debido a las duras condiciones de servicio de los materiales fototérmicos, deben exhibir:
Excelente estabilidad de alta temperatura
Resistencia a la corrosión superior
Bajo coeficiente de expansión térmica
Fuerte resistencia al clima
Los estudios han demostrado que las películas delgadas de aleación de alta entropía poseen una excelente resistencia a la corrosión y una estabilidad de alta temperatura, lo que las hace muy prometedoras para mejorar la eficiencia de la conversión fototérmica y el avance de las aplicaciones de energía solar.
Figura 2: Tubo de recolección de calor del convertidor fototérmico
(5) Materiales de aleación ligera de alta entropía
La luz liviana es una dirección importante para el desarrollo de materiales futuros. En los últimos años, las aleaciones de alta entropía también se han estudiado para materiales livianos y han comenzado a comercializarse. Los ejemplos comunes incluyen fundas para teléfonos móviles, ranuras para tarjetas de teléfonos móviles y otras piezas de precisión.
Figura 3 Estampación de caja de teléfono móvil
(6) Otras aplicaciones
Las aleaciones de alta entropía también tienen un gran potencial en varios otros campos, que incluyen:
Materiales de soldadura de alta entropía
Aleaciones de baja activación de alta activación
Materiales de moho
Materiales catalíticos
Capas de barrera de difusión semiconductora
5. El futuro de las aleaciones de alta entropía
¿Cómo se pueden desarrollar las aleaciones de alta entropía (HEA)? Esta pregunta es una preocupación principal para los científicos al avanzar en una nueva clase de materiales. Elegir la dirección de investigación correcta es esencial para lograr el máximo progreso con un esfuerzo mínimo, lo que permite a HEAS desempeñar un papel más importante en las aplicaciones de la vida diaria y la defensa nacional.
Mirando hacia el futuro, hay dos instrucciones de desarrollo clave que merecen la mayor atención:
(1) Identificar la región de rendimiento más rentable
Desde aleaciones tradicionales hasta aleaciones de alta entropía, los materiales han evolucionado a lo largo de una tendencia de entropía creciente. Sin embargo, los resultados experimentales indican que la relación entre la mezcla de entropía y el rendimiento del material no es lineal. En términos simples, una entropía de mezcla más alta no necesariamente se traduce en un mejor rendimiento de aleación.
La búsqueda ciegamente de mayor entropía no garantiza la optimización ilimitada de las propiedades del material. Además, a medida que aumenta la entropía, también lo hace el número de elementos constituyentes, lo que aumenta directamente el costo de producción de la aleación. Esto significa que centrarse únicamente en la alta entropía puede conducir a rendimientos decrecientes, donde el aumento en el costo supera los beneficios de rendimiento: un escenario de "perder tanto la inversión como el resultado".
Según los análisis estadísticos, la región más rentable no está en el dominio de aleación de alta entropía, sino en el límite entre las aleaciones de entropía media y las aleaciones de alta entropía. Esta región incluye materiales como:
Aleaciones de alta temperatura
Aleaciones amorfas
Aceros inoxidables
Aleaciones de entropía media
Estos materiales ofrecen un mejor equilibrio entre el costo y el rendimiento, lo que hace que esta región de transición sea un área crítica para el desarrollo de materiales futuros.
Figura 4 "rentabilidad" de materiales de aleación
(2) Desarrollo de métodos de investigación de materiales de alta eficiencia
Las aleaciones de alta entropía (HEA) exhiben propiedades mecánicas sobresalientes, resistencia a alta temperatura, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión, lo que las hace muy prometedoras en varios campos. Sin embargo, la investigación sobre películas delgadas de aleación de alta entropía todavía está en sus primeras etapas, y su aplicación industrial sigue siendo un trabajo en progreso. En comparación con las aleaciones tradicionales, los HEA tienen composiciones complejas, y sus propiedades no siguen una relación lineal con la entropía. Como resultado, es imposible diseñar materiales de alto rendimiento de múltiples componentes basados únicamente en la mezcla de entropía.
El diseño y el desarrollo del material es un proceso que requiere mucho tiempo, por lo que mejorar la eficiencia de la investigación es un factor clave para acelerar el avance de HEAS.
El papel de la tecnología de alto rendimiento
En este contexto, la adopción de la tecnología de alto rendimiento (HT) se vuelve esencial. Pero, ¿qué es exactamente la tecnología de alto rendimiento y cómo puede acelerar el desarrollo de materiales?
Si comparamos materiales de aleación con un océano y el desarrollo de nuevos sistemas de aleación con la pesca, entonces los métodos de preparación tradicionales son como la pesca con una caña, donde los investigadores solo pueden obtener un sistema de aleación a la vez. Este enfoque de "uno en el tiempo" ralentiza significativamente la investigación material.
Ahora, imagine que si los investigadores pudieran lanzar una red en lugar de usar una caña de pescar, permitiéndoles capturar múltiples sistemas de aleación en un solo intento. Este enfoque mejoraría en gran medida la eficiencia de la investigación. La tecnología de alto rendimiento sigue un principio similar, que permite la preparación paralela de múltiples sistemas de aleación a la vez, acelerando así drásticamente el desarrollo de HEAS.
Un futuro brillante para las aleaciones de alta entropía
Los HEAS están en una fase de crecimiento rápido, con China emergiendo como una fuerza importante en la investigación global. Hoy, como la creciente estrella del campo de la ciencia de los materiales, Heas continúa atrayendo la atención de los científicos de todo el mundo.
Aunque quedan muchos desafíos, no han disuadido a los investigadores de avanzar. Como una nueva frontera en materiales de aleación, Heas tiene un inmenso potencial y promete para el futuro. Sus misterios están esperando ser desentrañados, y sus posibilidades son ilimitadas, ¿estás listo para explorar su brillantez desconocido?