眾所周知，合金化是多年來創造新材料的主要方式，即在基體中新增幾個次要的合金元素。在近十年中，高熵合金(HEAs)材料逐漸進入研究者們的視野中，它們由多個元素以接近等原子的比例組成。多元素的存在會增加混合物的構型熵，避免金屬間化合物的形成，使HEAs合理化。HEAs因其優異的低溫力學效能並同時提高強度和延展性等優良效能而受到廣泛關注。原子無序性可能是決定HEAs效能的關鍵因素。已有研究表明原子無序大大增強了電子和聲子的散射。此外，化學複雜性的增加有利於提高合金的抗輻射和耐腐蝕性。CrMnFeCoNi作為面心立方(FCC)HEA的原型，由於其優異的力學效能和變形機制而被廣泛研究。然而，作為最基本的物理性質，它的磁學和熱傳導效能還沒有很好地理解。
來自中國科學院金屬所等單位的研究人員探討了典型CrMnFeCoNi HEA的直流和交流磁化、導熱性和電阻率。透過對CrMnFeCoNi和鎳的非彈性中子散射分析，揭示了晶格動力學。相關論文以題為“Mictomagnetism and suppressed thermal conduction of the prototype high-entropy alloy CrMnFeCoNi”發表在Journal of Materials Science& Technology。
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https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.077
研究發現隨著溫度的降低，CrMnFeCoNi HEA在大約80 K處出現了一個清晰的峰，零場冷卻(ZFC)和加場冷卻(FC)曲線完全重疊，表明發生了可逆轉變。在80 K左右，一些波動的自旋形成反鐵磁(AFM)狀態區域，而其餘與鐵磁(FM)相互作用的自旋仍在波動，最終在40 K以下有序。在較高的磁場中，經歷FM漲落的自旋逐漸排列，因此在40 K時的躍遷變得不明顯。在AFM和FM之間的介面上受挫的自旋被凍結在20 K以下。
圖1 CrMnFeCoNi的室溫XRD和NPD圖
圖2 不同磁場(a) 0.01；(b) 0.05；(c) 0.1；(d) 0.5；(e) 1和(f) 3 T下CrMnFeCoNi的直流磁化強度
由於原子無序，應變漲落、電子漲落和自旋漲落並存。中子對分佈函式(PDF)分析表明，局域晶格應變不是異常大的，Mn與相鄰原子的鍵距略大於其他原子的鍵距。回顧6%的體積膨脹，必須存在區域性幾何不匹配。這種差異可能是由於PDF方法的實際空間解析度有限。NiCoCr合金中也報告了這種差異。由於電子填充效應，電子漲落導致強烈無序散射。本研究發現微磁學根源於自旋漲落，競爭相互作用導致複雜的磁躍遷作為溫度的函式。
圖3 (a)變頻下交流磁化率的溫度依賴性；(b)不同溫度下直流磁化的磁場相關性
圖4 (a) CrMnFeCoNi和Ni導熱係數的溫度依賴性；(b)CrMnFeCoNi的低溫總熱導率、電子熱導率和晶格熱導率以及電阻率的溫度依賴性
圖5 非彈性中子散射結果
本文研究了原子無序對CrMnFeCoNi HEA磁性和熱導效能的影響。AFM和調頻互動共存在此係統中，由於抑制了電子和晶格的作用，熱導率降低到鎳的10%。非彈性中子散射顯示出弱的晶格非諧性，因此低的晶格熱傳導歸因於原子無序散射。本研究對CrMnFeCoNi HEAs是一種補充，為今後的HEA研究提供了理論基礎。（文：破風）
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