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研究背景

稀土高熵合金由于其较大的磁热性能，近年来已得到许多关注。但其磁热性能仍低于许多一级相变材料与稀土基合金，这极大限制了其在制冷领域的应用。多相结构有助于合金提升磁热性能，重稀土元素间混合热大部分为0，根据吉布斯自由能公式∆Gmix=∆Hmix −T∆Smix（∆Gmix, ∆Hmix, ∆Smix, T分别为吉布斯自由能、混合焓、混合熵、温度），通过降低稀土高熵合金元素含量进而降低合金混合熵，将促进合金中多相结构的形成，此外，熔体抽拉过程中，合金熔体相对辊轮位置可分为自由表面区和接触区，两区域显著的冷却速率差异有助于制备具有多相结构的纤维材料。

通过复合多个外场引起的相变，多卡效应材料相比单外场引发相变材料具有更显著的热效应，即更大的等温熵变和绝热温变。例如，相较于仅依赖磁场诱导相变的材料，复合磁场与压力场引发相变的材料具有更大的等温磁熵变值。此外，多卡效应还具有拓宽材料制冷温区、降低相变诱导场强等优势。研究磁场与压力场对多相稀土高熵合金的复合作用对于推动稀土高熵合金在制冷领域的实际应用具有重要指导意义，而理解高压条件下的结构演变对这一研究至关重要。

基于此，本文设计高熵合金成分Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅，并利用熔体抽拉技术制备合金纤维，使用金刚石对顶砧装置向合金样品施加压力，压力最大达52.15 GPa。采用原位同步辐射X射线衍射和透射电子显微镜研究合金在高压过程中相变机制及微观结构演变。本研究将有助于探索适用于固态制冷系统的新型高熵合金。

本文亮点

图文解析

图1、Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金透射电子显微镜(TEM)图，(a)低倍明场像图片；(b)高倍明场像图片，橙色箭头指向第二相；(c)图为(b)图选区电子衍射花样。

图2、Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金在压缩至52.15 GPa后卸压至0.15 GPa过程中原位获得的同步辐射衍射曲线；基体相变过程存在的hcp、Sm-type、dhcp和dfcc相分别对应蓝色文字、紫色圆形图标、红色菱形图标和绿色正方形图标；fcc第二相以橙色文字和线段表示。

图3、Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金的(a)基体和(b)第二相原子体积随压力变化的结果，图中红色虚线为三阶Birch-Murnaghan状态方程拟合结果。

图4、高压试验后Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金的TEM图，(a)明场像图片；(b)暗场像图片；(c, d)高分辨TEM图片；(e, f)快速傅里叶转换结果分别对应(c)图中的蓝色虚框和(d)图中的橙色虚框；(g)选区电子衍射花样。

图5、在加压过程中Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金微观结构演变示意图。

总结与展望

Gd₂₅Tb₂₅Dy₂₅Ho₂₅高熵合金具有hcp基体与fcc第二相的双相结构，其第二相晶粒尺寸与含量分别为~14 nm和~4.5%，第二相与基体界面为半共格；加压过程中，基体相变顺序为：hcp→Sm-type→dhcp→dfcc，而第二相未发生相变，在经历加压-卸压循环后，基体结构恢复为hcp结构；第二相体积模量大于基体，这意味着第二相具有更强的抗压缩能力；在压力最大至52.15 GPa的加压过程中，位错增殖和移动使得合金发生大塑性变形，随着压力的增加，合金两相之间的晶格参数失配度增大，使位错在压缩过程中绕过第二相。本文研究的高熵合金具有能量波动的晶格畸变，这既源于其本身固有的晶格畸变特性，亦源于其在压缩过程中两相界面产生的畸变。因此，在压力诱导的大变形过程中，畸变晶格和低能位错阻碍了位错运动，导致位错壁和位错胞的形成；位错胞的边界倾向于演变为小角度或大角度晶界，促使亚晶的形成，最终显著减小基体的晶粒尺寸。这些结果有助于加深对双相高熵合金在高压条件下结构演变的理解，并为多卡效应材料的规模化应用提供有效策略。

作者介绍

尹航博策，中国科学院宁波材料技术与工程研究所助理研究员。主要从事高性能稀土非晶、高熵磁热材料的设计与开发、结构演变机制及性能优化机理研究。主持国家自然科学基金青年科学基金项目、浙江省自然科学基金探索青年项目、宁波市自然科学基金一般项目，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金区域创新发展联合基金、宁波市“科创甬江2035”关键技术项目；以第一/通讯作者身份在Journal of Materials Science & Technology、Materials & Design、Science China Materials、Journal of Alloys and Compounds、Scripta Materialia等国际学术杂志发表SCI论文10篇；申请国家发明专利4项，授权3项。

张凯，北京高压科学研究中心（上海分中心）研究员。长期从事极端条件下无序态物质研究，包括非晶态半导体、相变存储材料、非晶合金和高熵合金等先进无序态材料。主持国家自然科学基金和博士后基金，相关工作发表在Nature Materials，Physical Review Letters，Nature Communications，Physical Review B, Applied Physics Letters等国际期刊上。

霍军涛，中国科学院材料技术与工程研究所研究员，博士生导师，国家优青、浙江省杰青、宁波市十大杰出青年、获得中国材料大会非晶与高熵分会颁发的“杰出青年科学家”奖，入选中国科学院青年创新促进会优秀会员，担任浙江省兵工学会副理事长、宁波市青年科学技术协会会长、宁波市青年联合会副主席、宁波市材料学会副理事长。主持国家自然科学基金优秀青年基金、区域创新发展联合基金、面上和青年基金项目，浙江省杰出青年科学基金以及宁波市“科创甬江2035”等多个科研项目并参与国家重大科研仪器研制项目和国家重点研发计划。在Proceedings of the National Academy of Sciences、The Innovation、Advanced Materials、Nature Communications、Advanced Functional Materials、Acta Materialia、Physical Review Letters、ACS Catalysis等国际顶级期刊发表SCI论文100余篇；申请发明专利47项，授权17项。相关成果被中央电视台“新闻30分”、“新闻联播”、人民日报、科技日报、新华网、Science等报道，入选国家基金委基金要闻、宁波市科技创新十件大事、中国科学院上海分院基础研究十大进展、中国科学院大学年度十大新闻等。担任Materials Futures和Materials Research Letters青年编委，并担任Nature Communications、Nano letters、APL Materials、Journal of Alloys and Compounds等多个国际知名期刊的审稿人。在国际块体非晶合金会议、亚洲磁学联盟会议、中国材料大会、中国钢铁年会、全国磁学和磁性材料会议、中国物理学会非晶材料年会等国内外学术会议做邀请报告14次，并多次担任分会主席。

黄永江，哈尔滨工业大学教授，博士生导师，英国皇家学会牛顿学者、美国金属学会会员、中国金属学会非晶合金分会委员。主持或参与973、国家自然科学基金(7项)、国家部委基础加强重点项目、国家重大科研仪器研制项目、高档数控机床与基础制造装备专项、部委预研基金、国家863计划等50余项科研项目，获省部级科技奖励2项。在Advanced Materials、International Journal of Plasticity、Acta Materialia等国际著名学术杂志上发表SCI论文230余篇，论文被Science等权威杂志引用6200余次，ESI高被引3篇，H因子40；申请国家发明专利79项，授权55项；Nature、Nature Materials、Nature Communications、Materials Today等100余种国际学术期刊的审稿人；Journal of Materials Science & Technology、Rare Metals、The Innovation等6种国际期刊编委/青年编委；在国际、国内学术会议做邀请报告50余次。

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