探秘 MoWTaTiZr 难熔高熵合金：晶格热导率的异常特性与调控机制

研究人员采用平衡分子动力学（EMD）方法研究 MoWTaTiZr 难熔高熵合金（RHEAs）晶格热导率，发现其与温度及元素浓度的关系，有助于 RHEAs 应用。

　　在材料科学的广阔天地里，高熵合金（HEAs）凭借其优异的性能，成为了科研人员眼中的 “宠儿”。它就像一个神奇的 “材料魔法盒”，由多种主要元素组成，能变幻出卓越的机械性能、出色的耐腐蚀性和良好的热稳定性。其中，难熔高熵合金（RHEAs）更是在航空航天和核能等高端领域展现出巨大的潜力，比如在航天器中，它能作为结构材料，保障温度均匀分布；在核燃料包壳中，对核燃料元件的可靠冷却起着关键作用。

然而，这个 “魔法盒” 并非完美无缺。尽管研究人员对 RHEAs 的机械性能进行了大量研究，但在热力学性能方面，特别是晶格热导率，仍存在诸多未知。此前不少研究虽计算过晶格热导率，但计算方法存在局限性，而且对于多元素合金中晶格热导率的研究还不够深入，这就像在探索一座神秘的山峰，只看到了表面的风景，却未深入了解其内部构造。因此，深入研究 RHEAs 的晶格热导率，揭示其影响因素和机制，就显得尤为重要。

为了揭开 RHEAs 晶格热导率的神秘面纱，哈尔滨工业大学、上海大学、北京理工大学等多所高校的研究人员携手合作，开展了一项深入的研究。他们的研究成果发表在《iScience》杂志上，为该领域的发展带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员运用了平衡分子动力学（EMD）方法这一强大工具。他们精心构建了等原子 RHEA（MoWTaTiZr）和五种非等原子 RHEAs 的模型，通过一系列严谨的模拟和计算，对晶格热导率进行了全面探究。在模拟时，他们采用周期边界条件，设置合适的时间步长，对系统进行能量最小化、赋予原子初始速度、在不同系综下进行弛豫等操作，最后运用格林 - 久保公式（GKF）计算晶格热导率。

研究结果令人眼前一亮。首先是温度对晶格热导率的影响。研究人员发现，随着超胞尺寸增加，热导率会先受有限尺寸效应影响，当超胞尺寸达到一定程度（N>3 且 N≤5）时趋于稳定，因此选择 N=5 进行后续计算。在 300 - 1500K 的温度范围内，随着温度升高，晶格热导率降低，并且晶格热导率与温度的倒数呈现近似线性关系。这一现象表明，MoWTaTiZr 的晶格热导率主要受声子 - 声子非谐效应主导。温度升高时，声子数量显著增加，声子 - 声子散射率上升，高频声子的非谐散射增强，电子 - 声子散射也变强，这些因素共同导致了晶格热导率的下降。

其次是元素浓度和化学有序对晶格热导率的影响。研究人员调整了 RHEA 中一种元素的浓度，从 20% 提高到 27.5%，构建了五种非等原子 RHEAs。研究发现，调整元素浓度会使热导率降低，其中增加 Ti 元素浓度导致的热导率下降最为显著。为了解释这一异常现象，研究人员计算了不同元素的声子态密度（PDOS）和模式参与率（WPR），发现它们并非主导晶格热导率的主要因素。进一步研究发现，通过计算沃伦 - 考利参数（WCP）可以表征化学有序。在 MoWTaTiZr 合金中，一些原子对倾向于形成化学键，而增加 Ti 元素浓度会增强 Ti 原子的化学有序性，使 Ti 更容易形成富 Ti 团簇，从而导致晶格热导率出现异常下降。

总的来说，这项研究成果意义重大。它首次系统地研究了 MoWTaTiZr 难熔高熵合金的晶格热导率与温度、元素浓度的关系，揭示了其异常特性背后的机制。这不仅有助于科研人员更深入地理解 RHEAs 的热行为，还为合金设计提供了关键指导，比如可以通过增加 Ti 浓度来获得低晶格热导率的合金，满足先进核能系统等领域的特殊需求。不过，该研究也存在一定的局限性，目前还缺乏实验结果来验证模拟结论。但这并不影响其为后续研究奠定坚实基础，相信在未来，随着研究的不断深入，RHEAs 在材料科学领域将绽放更加耀眼的光芒，为人类的科技进步做出更大的贡献。