前沿合作 | 岛津携手大连理工揭示高熵nbmotaw合金薄膜热稳定性奥秘 | 岛津分析检测-乐鱼apo

2023-02-08

揭示高熵nbmotaw合金薄膜热稳定性奥秘

 

【导读】合金与金属相比,除具有金属的特性外,还具有许多比单组分金属更优良的物理、化学或机械性能,如硬度大、密度低、耐磨、耐腐蚀等,因而广泛应用于人们的衣食住行以及航空、航天、机械制造、船舶等领域。合金的性能可以通过所添加的元素种类、含量以及合成条件等来加以调控。近期,大连理工大学李晓娜教授团队通过射频磁控溅射法制备了一系列 (nbmotaw)100-xvx (x = 0 ~ 30.5, at%) 合金薄膜,探究了由弱焓相互作用元素v引起的局域结构转变对nbmotaw体系性能的影响,揭示了高熵合金薄膜的高稳定性不仅源于元素本身的高熔点,而且与高无序程度和焓相互作用引起的微观结构波动有关,有望在高温、高硬度、耐磨损等条件下得到广泛应用。

 



图1 论文乐鱼乐鱼apo官网入口首页

  该论文以“weak enthalpy-interaction-element-modulated nbmotaw high-entropy alloy thin films”(弱焓相互作用元素调制的 nbmotaw 高熵合金薄膜)为题发表于国际知名期刊《applied surface science》。岛津上海分析中心spm(扫描探针显微镜)应用工程师刘仁威博士作为共同作者,使用岛津spm-9700ht完成了薄膜样品表面电流的表征和分析工作。

研究成果掠影

  目前,很多工作研究了合金的局域结构与机械强度之间的关系,而干扰成分对局域结构与合金热稳定性关系的研究却很少。nbmotaw难熔高熵合金具有单一的bcc结构,且组成元素具有较高的熔点,因而表现出良好的热稳定性,是研究局域结构与热稳定性关系的理想材料。该论文通过添加不同含量的v元素,探究了高熵nbmotaw薄膜具有较高热稳定的原因(见图2)。


图2 (a) bcc结构示意图,
(b)nbmotaw难熔高熵合金,n、m表示nb、ta、mo、w的随机分布,
(c~d)(nbmotaw)100-xvx薄膜团簇中加入v元素后的原子相互作用示意图,
(e)v的添加量对nbmotaw薄膜力学性能影响,
(f)当v含量为27.4%时,nbmotaw薄膜的电流分布

  为了更加深入地理解合金成分-结构-性能之间的关系,论文作者利用spm建立了合金薄膜微结构-导电性的关系,研究了(nbmotaw)100-xvx的导电机理。文中采用岛津spm-9700ht的电流模式测试了nbmotaw、(nbmotaw)91.5v8.5、(nbmotaw)72.6v27.4以及(nbmotaw)69.5v30.5薄膜的表面形貌和电流分布(见图3)。蓝色和红色代表薄膜表面的导电性差异,蓝色区域导电性较好,而红色区域导电性较差。由图可以看出无v元素时,nbmotaw薄膜电流分布有明显起伏,蓝色区域较多。而随v元素的加入,薄膜表面电流起伏变化明显减小,蓝色区域明显减小,当v含量达到30.5%时,蓝色区域已经很少。nbmotawv薄膜始终保持单一bcc结构,因此表面电流分布的变化与成分偏析密切相关。

  v元素的加入不仅降低了由成分偏析导致的电导率差异,而且改善了成分或电导率的均匀性,提高了电阻率,这与stem成分分析和电阻率测量结果一致。此外,通过对三维表面高度图和电流分布图进行叠加,可以消除由于粗糙度引起的表面电流变化。


图3 nbmotaw, (nbmotaw)91.5v8.5, (nbmotaw)72.6v27.4以及 (nbmotaw)69.5v30.5薄膜的三维高度图(a1~a4),电流分布(b1~b4)以及将电流分布叠加到高度图上的三维图(c1~c4)

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客户心声

 


李晓娜教授课题组合照

  论文第一作者毕林霞(前排左一)表示:“为了探究了由弱焓相互作用元素v引起的局部结构转变对nbmotaw体系的热稳定性的影响,我们制备了一系列 (nbmotaw)100-xvx(x=0~30.5, at%)薄膜,并系统性地研究了其微观结构、力学性能以及电导率等。利用spm表面电流模式,可以清晰地获得薄膜微区导电性能分布,并建立了微结构-导电性的关系,有助于我们深层次理解成分-结构-性能之间的关系。本工作在岛津公司上海分析中心刘仁威博士的帮助下进行,非常感谢岛津分析中心提供的大力帮助,希望今后继续合作。”

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