高熵合金 构型熵
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高熵合金 构型熵
高熵合金（High-entropy alloys），简称HEA，是一种由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。这类合金由于具有多种主元元素，其混乱度即熵值相对较高。高熵合金的设计打破了传统合金以一种或两种元素为主的观念，使得多种元素都能在合金中以近等原子比的形式存在，不存在传统合金中的“基体元素”一说，即没有溶质原子和溶剂原子的差别。
高熵合金具有许多理想的性质，如高强度、高硬度、良好的抗断裂能力、抗拉强度，以及优异的抗腐蚀和抗氧化特性，这些都使其在材料科学和工程领域受到广泛的关注。此外，高熵合金的研究为设计和发展更高性能的金属材料提供了新的可能。
尽管高熵合金的研究可以追溯到20世纪90年代，甚至早在18世纪就有相关的萌芽，但直到近年来，特别是在2010年代，高熵合金的研究才得到了大量的关注和深入的研究。
构型熵（或称为结构熵）是反映合金体系局部结构有序度的重要参数。它与系统的混乱程度有关，代表了真实物理系统的状态函数。具体来说，构型熵描述了某个系统中过冷液体与晶体的熵差，这与系统原子或者粒子的离散代表位置有关。
在无序合金体系中，构型熵尤为重要。它可以看作是多种原子混合后产生的多余的熵，是由材料各组元不同组合方式引起的。构型熵的计算公式如下：
(S_{Str} = -\sum_i (\rho_i \log \rho_i)) 其中，(\rho_i) 是第 (i) 种局域结构所占比例。这个公式实际上是信息熵的一种应用，它量化了系统的不确定性或混乱程度。
在另一个表示形式中，对于一个包含 (N) 个粒子的系统，如果局域结构的种类数为 (K)，第 (i) 个局域结构的数目为 (n_i)，则
(\rho_i = \frac{n_i}{N})。但是，这个表示形式下的结构熵公式似乎有误，因为按照信息熵的定义，它应该是：
(S_{Str} = -\sum_i (\rho_i \log \rho_i) = -\sum_i \left( \frac{n_i}{N}
\log \frac{n_i}{N} \right))
而不是 (\log N - (\rho_i \log n_i))。请注意，这里的求和是对所有不同的局域结构进行的。
在材料计算领域，构型熵的计算对于预测合金的玻璃形成能力、计算相图以及指定高性能等熵合金等方面都具有重要作用。通过计算构型熵，可以了解合金中不同元素的混合程度，从而预测其物理和化学性质。这一定义遵循了信息熵的形式，并与热力学熵没有直接关系。
在材料计算领域，构型熵有着很多重要作用，如预测合金玻璃形成能力、计算相图、和指定高性能等熵合金等。
高熵合金的构型熵是其总混合熵中的一个重要组成部分。构型熵的计算主要基于合金中不同元素的组合方式，反映了合金体系的混乱程度或有序度。在高熵合金中，由于存在多种主元元素，其构型熵相对较高。
构型熵在高熵合金的定义中起到了关键作用。一种常见的定义方式是，合金的构型熵高于1.5R（R为气体常数）时，该合金被称为高熵合金。这一定义主要适用于等摩尔比合金，即合金中各元素的摩尔比大致相等。此外，有研究表明，高熵合金的主元数量建议在5-13之间，过多的主要元素可能无法提供额外的混合熵益处，并可能使合金处理变得复杂。
值得注意的是，高熵合金的总混合熵不仅包括构型熵，还包括振动熵、磁偶极子熵和电子熵等其他形式的熵。然而，在总混合熵中，构型熵通常占据主导地位。
