高熵非晶合金研究进展

高熵非晶合金是兼具高熵合金多主元的成分特征和非晶合金长程无序的原子结构堆垛特性的一种新型无序合金.由于其独特的成分和结构特征,高熵非晶合金显示出一系列独特的物理、化学和力学性能.本文简要回顾了高熵非晶合金当前的研究进展,提出高熵非晶合金领域目前仍需解决的科学问题.熵对高熵非晶合金形成的影响:高熵非晶合金具有高混合熵的特点,依据"混乱法则",高熵效应有利于非晶结构的形成,但是研究发现高熵非晶合金相对于同体系的传统非晶合金具有较差的玻璃形成能力.高熵非晶合金的热稳定性与纳米晶化行为:高熵非晶合金具有异常缓慢的纳米晶化动力学,有望通过高熵非晶合金部分晶化制备新型高熵块体纳米结构材料.高熵非晶合金高的热稳定性与较低非晶形成能力之间的异常关系.最后对高熵非晶合金未来的重要研究方向提出了展望.     

磁控溅射制备AlCrWTaTiNb高熵合金薄膜低温等离子体氮化

采用磁控溅射技术沉积了AlCrWTaTiNb多元高熵合金薄膜,在400℃以下采用高密度等离子体设备对沉积的薄膜进行了氮化处理.用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜和纳米压痕对氮化后薄膜的微观结构、表面形貌以及力学性能进行了分析.结果表明,高熵效应有利于降低氮化温度,最低氮化温度仅为200℃,所有的(AlCrWTaTiNb)N薄膜晶体结构呈现简单的FCC结构,且具有(111)择优取向.随着氮化温度的增加,(AlCrWTaTiNb)N复合薄膜的显微硬度、弹性模量和对应的H3/E2均增大,氮化温度为300℃时,达到最大,随后略微下降.随氮化时间的延长,显微硬度和弹性模量均逐渐增加.     

机器学习辅助高熵合金相结构预测

高熵合金由于其形成独特显微组织的固溶体、金属间化合物和非晶相而具有更好的物理化学性能．因此,高熵合金中的相预测是合金设计的第一步．采用机器学习算法中的支持向量机、随机森林和决策树3种模型对高熵合金的相位分类进行预测,通过网格搜索方法优化模型,并对模型进行交叉验证和性能评估．结果表明:随机森林的预测能力最佳,达到0.93的预测精度,且该模型对高熵合金固溶体相的分类效果最好,最后采用随机森林模型预测Ti Zr Nb Mo系难熔高熵合金的生成相,其预测生成相与实验结果一致．由此可见,机器学习技术对未来高熵合金的设计有很大的帮助．     

CrHfNbTaTi和CrHfMoTaTi难熔高熵合金相构成、微观结构及压缩性能

随着工业技术的发展,对高温金属材料的需求日益增长。2010年高温高熵合金的提出,为新型高温合金的设计开发提供了新思路,逐渐成为近年来的研究热点。本文基于广泛研究的HfNbTaTiZr高熵合金,通过元素置换设计了CrHfNbTaTi和CrHfMoTaTi难熔高熵合金,对真空电弧炉熔炼条件获得的铸态试样的相构成、微观结构以及压缩性能进行了系统研究。研究结果表明CrHfNbTaTi和CrHfMoTaTi难熔高熵合金均由BCC和Laves相构成;CrHfNbTaTi的屈服强度从HfNbTaTiZr的926 MPa提升至1258 MPa,并且保留优异的塑性（约15.0%的压缩应变）。本文通过表征与分析CrHfNbTaTi和CrHfMoTaTi难熔高熵合金因元素置换而产生的形貌和成分分布的演变,表明类网状的枝晶间形貌有利于难熔高熵合金压缩性能的提升,而由Mo元素参与形成的枝晶被枝晶间壳层松散包裹结构则降低了CrHfMoTaTi难熔高熵合金的屈服强度并增加了它的脆性。     

采用磁过滤MEVVA源制备DLC膜的研究

采用磁过滤MEVVA沉积技术以石墨为阴极在几种衬底表面(单晶硅、不锈钢和工具钢等)上制备高质量类金刚石(DLC)薄膜.实验结果表明,沉积能量对薄膜的sp3键含量的影响为先随能量的增加而增加,达到最大值后,再增加沉积能量含量反而下降.硬度测试结果表明,非晶金刚石薄膜具有极高的硬度,为70～78GPa,远远高于衬底材料的硬度值.对非晶金刚石薄膜的摩擦性能试验结果表明,非晶金刚石薄膜的摩擦因数为0.16～0.2,大大低于衬底材料.     

氮气对PECVD制备氮化硅薄膜结构与性质的影响

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术,以SiH_4、NH_3和N_2为反应气体,研究氮气对制备氮化硅薄膜及其结构与性质影响.研究结果表明,利用PECVD沉积非晶SiNx薄膜时,薄膜中含有大量以Si-H和N-H键存在的H+离子,当其键合断裂时,大量H从膜中扩散出来并与其他杂质和缺陷发生反应,在沉积SiNx薄膜的过程中形成H空位,H以氢-空位对方式迅速扩散,完成钝化过程,导致薄膜致密性降低.适当增加氮流量,导致薄膜中N/Si比增大,Si-Si键浓度减少,Si-N键浓度增加,并出现轻微的蓝移;继续增加氮流量,薄膜逐渐呈富N态,伴随缺陷态增多,辐射增强,导致光学带隙迅速展宽,带尾态能量逐渐减小;当氮流量较高时,薄膜中形成了包埋在非晶SiNx中的Si_3N_4晶粒,实现了从非晶SiNx薄膜向包含Si_3N_4小晶粒薄膜材料的演变过程.     

大块金属玻璃及高熵合金的合金化作用

摘要研究了合金化对大块金属玻璃和高熵合金的组织和性能的影响．结果表明Nb元素能有效改善W纤维／Zr基大块非晶复合材料的界面结合状态,从而改善材料的力学性能;稀土Y元素大的原子半径,使合金形成的晶体产生附加的晶格畸变能,从而降低晶体的稳定性,进而使得合金玻璃形成能力也相应提高,所产生晶格畸变能的大小与形成晶体的致密度有关;Mg基大块非晶合金可以通过合金化生成长周期相韧化的复合材料,从而具有优异的塑性变形能力和比强度;高熵合金通过适当合金化手段能够形成以无序固溶体为主的组织,并具有不弱于大块非晶合金的室温力学性能．     

非晶碳氮薄膜的X射线光电子能谱研究

采用空心阴极等离子体化学气相沉积法,在甲烷一氨气、氢气混合气体体系下,制备出了非晶碳氮薄膜。利用原子力显微镜（AFM）及X射线光电子能谱（XPS）对薄膜的表面形貌、成分及微观结构进行了测试和表征。结果表明,薄膜的表面光滑、致密,均方根粗糙度小于0．5nm;薄膜中的氮含量随NH3（H2）流速的增加呈现降低的趋势,sp^2C—N及sp^3C—N键含量均随氮含量的增加而增加。     

Al含量对AlxFeNi2.5CrMo高熵合金微观结构与力学性能的影响

针对现有铁素体钢在反应堆压力容器中抗压强度低与低温脆性高的问题,采用真空电弧熔炼法制备了系列AlxFeNi2. 5CrMo高熵合金试样,并利用X射线衍射、扫描电子显微镜、能量散射谱以及力学性能测试等方式分析了Al含量对高熵合金微观结构和力学性能的影响.实验结果表明,制备的AlxFeNi2. 5CrMo高熵合金主要由面心立方主相和少量的Laves相组成,其微观组织呈现出典型的树枝晶和枝晶间结构,且枝晶的分布均匀性随着Al含量的增加而变差;其抗压强度和抗拉强度随着Al含量的增加呈现出先增加后降低的趋势,当Al含量x=0. 2时,高熵合金的抗压强度和抗拉强度达到最大值,分别为3 984 MPa和795 MPa.     

硼含量对FeCoNiCrAl_(0.1)B_x高熵合金组织和力学性能的作用

研究了硼含量对FeCoNiCrAl_(0.1)B_x(x=0～0.1)高熵合金微观组织和力学性能的作用.结果表明:当硼含量x≤0.03时,FeCoNiCrAl_(0.1)B_x高熵合金由单一面心立方(facecentered cubic,FCC)结构的γ相组成;而当硼含量x ≥ 0.05 时,FeCoNiCrAl_(0.1)B_x高熵合金由γ相、微量的有序态FCC相和硼化物组成.硼元素的加入,细化了 FeCoNiCrAl_(0.1)B_x高熵合金的晶粒,提高了合金的抗拉强度,但也降低了合金的延伸率.在真空中拉伸时,FeCoNiCrAl_(0.1)B_x高熵合金的断口形貌均为韧窝状塑性断口.     

射频PECVD方法生长含氢非晶碳膜的结构及摩擦学性能

利用射频等离子体增强化学气相沉积技术在不锈钢表面制备了含氢非晶碳膜.采用Raman光谱、红外光谱、X射线光电子能谱和原子力显微镜等研究了薄膜的微观结构和表面形貌,在栓盘摩擦磨损试验机上考察了薄膜在不同载荷与滑动速度下的摩擦学性能.结果表明:所制备的含氢非晶碳膜具有典型的类金刚石结构特征,薄膜均匀、致密,表面粗糙度小;薄膜与不锈钢球对磨时显示出良好的抗磨减摩性能;薄膜的抗磨减摩性能同对磨件表面上形成的转移膜以及摩擦过程中薄膜结构的石墨化相关.     

One-pot hydrothermal synthesis and fabrication of kesterite Cu2ZnSn(S,Se)4 thin films

Kesterite Cu_2Zn Sn(S,Se)_4(CZTSSe)powder was synthesized by a hydrothermal process.The thin films were fabricated by physical vapor deposition of CZTSSe powder followed by a thermal annealing process.The kesterite microstructure was identified by the X-ray diffraction and Raman spectroscopy.The morphology and elemental composition of CZTSSe thin films were also investigated.The dependence of resistance on the temperature of CZTSSe film was measured and the thermal activation energy of conductivity was estimated to be 0.33 eV based on Arrhenius plot of resistance versus temperature.A high absorption coefficient(10~4cm~(-1))of CZTSSe was found in the visible and NIR regions of the spectrum.A direct band gap structure with band gap energy of 1.46 eV was also estimated for CZTSSe films.The photoconductivity was measured under both AM 1.5G and NIR illumination and a stable and fully recoverable photoconductivity was observed for both asdeposited and annealed CZTSSe films.The annealed films show a higher photoconductivity than the as-deposited films under both AM 1.5G and NIR lights.     

Solid solution or amorphous phase formation in TiZr-based ternary to quinternary multi-principal-element films

TiZr-based multicomponent metallic films composed of 3–5 constituents with almost equal atomic concentrations were prepared by cosputtering of pure metallic targets in an Ar atmosphere.X-ray diffraction was employed to determine phase composition,crystalline structure,lattice parameters,texture and crystallite size of the deposited films.The deposited films exhibited only solid solution(fcc,bcc or hcp) or amorphous phases,no intermetallic components being detected.It was found that the hcp structure was stabilized by the presence of Hf or Y,bcc by Nb or Al and fcc by Cu.For the investigated films,the atomic size difference,mixing enthalpy,mixing entropy,Gibbs free energy of mixing and the electronegativity difference for solid solution and amorphous phases were calculated based on Miedema’s approach of the regular solution model.It was shown that the atomic size difference and the ratio between the Gibbs free energies of mixing of the solid solution and amorphous phases were the most significant parameters controlling the film crystallinity.     

W离子注入VO2薄膜结构及红外发射性能研究

探讨了低剂量离子注入技术对VO₂薄膜的结构和红外发射性能的影响,发现1×1015 cm?2注量的W离子注入掺杂时,会对VO₂薄膜的晶体结构产生一定的损伤;经400 ℃退火处理后部分恢复了薄膜的单斜相晶体结构,且退火处理后,在掺杂W离子、结构缺陷和氧空位的共同作用下,掺杂量0.12%即可使VO₂薄膜的相变温度降低8.9 ℃;掺杂原子数量每增加1%,其相变温度相应变化74.2 ℃;W离子注入并经退火处理后,VO₂薄膜的红外发射率为0.35～0.46,其在低温区间的红外发射率相比未注入薄膜降低了0.14,这大幅度提高了VO₂薄膜在低温区的红外隐身性能．      

氧气流量对于磁过滤阴极真空弧法制备ZrO2薄膜特性的影响

ZrO₂薄膜具有高硬度、高耐磨性等优良特性，在诸多领域具有广泛的应用前景．高品质ZrO₂薄膜的制备一直是科学家们研究的一个重点和热点问题．本文利用磁过滤阴极真空弧（FCVA）技术，以金属Zr为阴极，在单晶硅（100）衬底上制备高品质ZrO₂薄膜，利用X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、X射线电子能谱（XPS）和纳米力学探针对薄膜的结构、形貌、成分及其性能进行表征，研究了O₂流量对于ZrO₂薄膜的晶体结构、形貌、成分以及力学性能的影响规律，获得了结晶品质良好、表面平滑且硬度较高的ZrO₂薄膜．      

用离子化技术制备C-BN薄膜

立方晶系的氮化硼(C-BN)具有极好的硬度、绝缘性,近年来受到国内外的注目。本文介绍在10~(-1)Pa的氮气氛中,用电子束蒸发硼,再进行离子化,制得氮化硼薄膜。经电子显微镜衍射图分析及与块状材料相比,其晶格距离极为一致,本文还分析了薄膜形成过程中基板温度、真空度等的影响。     

二步法硫化镉薄膜的制备及性能研究

基于化学水浴法,采用氯化镉、氯化铵、氨水和硫脲溶液体系,通过二步法在导电玻璃上制备了CdS薄膜。系统地研究了二步法生长的膜厚比对CdS薄膜厚度、形貌、结构和光学性能的影响。结果表明,制得CdS薄膜为立方闪锌矿结构,随着85℃与75℃生长时间比的优化,表面粗糙度减少,表面结构致密,结晶性能显著提高,可见光波段透过率明显提高。     

成膜工艺对sol-gel电致变色WO3薄膜的影响

以钨粉过氧化聚钨酸法配制溶胶,采用脉冲电泳沉积和浸渍提拉两种工艺在ITO导电玻璃基底上制备电致变色WO3薄膜,研究溶胶-凝胶成膜工艺对WO3薄膜微观结构、光学性能和电化学性能的影响.结果表明,两种成膜工艺制备的WO3薄膜均呈非晶态,薄膜厚度相近,约为252 nm.与浸渍提拉法相比,脉冲电泳沉积制备的薄膜具有更大的光学调...     

沉积温度对VC纳米薄膜摩擦学性能的影响

采用磁控溅射技术沉积碳化钒(VC)纳米薄膜, 研究温度对VC薄膜的微观结构、 力学及摩擦磨损性能的影响, 并分析其内在关系. 结果表明, 沉积温度升高对VC薄膜的相结构和摩擦系数影响较小, 有利于降低薄膜中的应力和粗糙度, 可提高薄膜的硬度.     

非晶/微晶相变区硅基薄膜太阳能电池研究进展

综述了非晶/微晶相变区硅基薄膜的微观结构、光电特性及其在太阳能电池中的应用进展.稳定优质的宽带隙初始晶硅薄膜处于非晶/微晶相变区的非晶硅一侧,其相比于非晶硅具有更高的中程有序性和更低的光致衰退特性.低缺陷密度的窄带隙纳米晶硅薄膜处于非晶/微晶相变区的微晶硅一侧,有效钝化的纳米硅晶粒具有较高的载流子迁移率和较好的长波响应特性.基于上述相变区硅薄膜材料的叠层电池已经达到13.6%的稳定转换效率.掺锗制备的硅锗薄膜可进一步降低薄膜的带隙宽度,引入相变区硅锗合金薄膜后,三结叠层电池初始效率已经达到16.3%,四结叠层太阳能电池理论效率可以超过20%.