高熵合金（英文名：High-entropy alloys，简称HEA），是由5种或5种以上等量或大约等量金属形成的合金。研究发现高熵合金的比强度比传统合金高很多，而且抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性都比传统的合金要好。以往的合金中主要的金属成分可能只有一至两种。例如会以铁为基础，再加入一些微量的元素来提升其特性，因此所得的就是以铁为主的合金。以往的概念中，若合金中加的金属种类越多，就会使其材质脆化。但高熵合金和以往的合金不同，有多种金属却不会脆化，是一种新的材料。高熵合金应用广泛，涵盖工具、模具等耐磨耐温耐蚀领域，高尔夫球头打击面等硬面，高频变压器磁心等磁性元件，化工厂与船舰用耐蚀材料，涡轮叶片等高温材料，超高大楼耐火骨架及微机电材料。
20世纪90年代初期，英国牛津大学Cantor率先证伪英国剑桥大学Greer提出的“混乱原则”理论。他借助电弧熔炼技术与铸造工艺，成功制备出具有单相固溶体的CoCrFeMnNi合金，该合金后被称为Cantor合金。同期，中国台湾省学者叶均蔚将此类单相固溶体合金命名为高熵合金。2020年6月，喇培清教授带领的纳米材料与技术团队自主研发的“一种MoCrFeMnNi高熵合金及其制备方法”及“一种TiCrFeNiMn高熵合金及其制备方法”获得国家知识产权局发明专利授权。2025年10月19日，安徽师范大学校长熊宇杰教授联合中国科学技术大学相关科研团队在温和条件下利用激光辐照所激发的等离激元光热效应和热电子效应，成功创制出亚纳米级高熵合金，这一方法具备广泛普适性，可制备包含多达十种金属元素的高熵合金。
概念定义
高熵合金是由等摩尔比的五种或五种以上组元构成，为了丰富组元设计，规定每种组元含量介于5%~35%之间。早期的高熵合金研究通常是面心立方（face-centered cubic，FCC）和体心立方（body-centered cubic，BCC）固溶体结构，随着研究的不断深入，密排六方结构（hexagonal close-packed, HCP）的高熵合金也已出现。在高熵合金研究领域具有代表性的合金体系包括FCC结构的AlCoCrFeNi、AlCrCuFeNi、CoCrCuFeNi、CoCrFeMnNi，BCC结构的TaNbHfZrTi、TaNbVTiAl以及HCP结构的AlLiMgScTi等，也存在着一些FCC和BCC双相混合的高熵合金体系，例如Al,（CoCrFeMnNi）、Al,（CoCrCuFeNi）等。
历史沿革
20世纪90年代初期，英国牛津大学的Cantor率先证伪了英国剑桥大学的 Greer提出的“混乱原则”理论，他利用电弧熔炼技术和铸造工艺成功制备了具有单相固溶体的CoCrFeMnNi高熵合金（Cantor合金），与此同时，中国台湾省的学者叶均蔚将这种单相固溶体合金命名为高熵合金。
2020年6月，从兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室获悉，由喇培清教授带领的纳米材料与技术团队自主研发的“一种MoCrFeMnNi高熵合金及其制备方法”及“一种TiCrFeNiMn高熵合金及其制备方法”获得国家知识产权局发明专利授权（专利号：ZL201711173700.0和ZL201711174536.5）。标志着甘肃省在“高熵合金低成本制备技术方面”获得重大突破，又新增两种全新MoCrFeMnNi、TiCrFeNiMn高熵合金。
2025年10月19日，安徽师范大学校长熊宇杰教授联合中国科学技术大学相关科研团队创新性地使用了激光辐照技术，在温和条件下实现了多种金属的均匀混合，并成功制备出亚纳米级别的高熵合金颗粒。纳秒脉冲激光可以在极短时间内将颗粒表面温度迅速提升至2000摄氏度以上，再以每秒超过十亿度的速度迅速冷却。这一“快热快冷”过程不仅克服了传统合成方法的局限，还成功将合金颗粒尺寸控制在亚纳米级别。该项激光合成新方法极大拓展了高熵合金的材料体系与适用范围，有望推动其在能源、催化等领域的实际应用，为新材料研发提供全新思路。相关研究成果发表在国际期刊《自然·材料》上。
分类
元素组
等原子比高熵合金；
非等原子比高熵合金；
微量添加元素高熵合金
参考资料：
微观结构
高熵合金优异的综合性能和结构密不可分，因此，结构是最重要的特点。高熵合金易形成无序固溶体结构，但是特殊情况下也会形成非晶、金属间化合物等相，因此按微观结构，可将高熵合金按照两种分类方式划分，一是按照相的结构类型分类，二是按照相的种类分类。前者，高熵合金可以分为FCC型（面心立方结构）、BCC型（体心立方结构）、HCP型（密排六方结构）、非晶型及金属间化合物型。后者，高熵合金可以分为单相、双相、非晶、共晶及多相高熵合金等。
合金基体
高熵合金还可分为金属类高熵合金和复合类高熵合金，高熵合金在性能方面具有鸡尾酒效应，通过调整所含元素种类、配比，可具有轻质、难熔等优异性能。金属类高熵合金主要有AlCrFeCoNiCu体系、VNbMoTaW体系，以及其他金属体系，所含元素除了金属元素AI、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu等外，还有类金属元素Si、B等。复合类高熵合金通过引入细小硬质颗粒，进一步增强了多主元高熵合金的力学性能。
维度
高熵合金按照维度可分为高熵合金薄膜（二维高熵合金）和高熵合金块体材料（三维高熵合金）。对于高熵合金纳米颗粒（零维高熵合金）以及高熵合金纳米线或管（一维高熵合金）研究甚少。高熵合金薄膜材料往往是为了改善合金表面性能，通过热喷涂、激光熔覆、溅射、气相沉积等方法制备得到。合金通过这些方法凝固时，冷却速率非常快，形核速率高，得到的晶粒细小，同时抑制其他相的析出。而高熵合金缓慢的扩散效应使得冷却速率对合金凝固的影响更加明显。也就是说，与传统合金薄膜相比，在相同冷却速率下，高熵合金薄膜材料的晶粒更加细小，其他相的形成会得到明显抑制。此外，高熵合金薄膜材料也容易形成非晶结构。高熵合金块体材料是通过传统铸造工艺、磁悬浮熔炼、真空电弧熔炼、铜模吸铸、定向凝固等技术制备得到的。与薄膜材料相比，其冷却速率缓慢，得到的晶粒较大，相结构更加复杂，存在相分离以及成分偏析。
组织结构
和传统合金类似，高熵合金的结构可分为晶体和非晶体两大类。高熵合金晶体与非晶体的最本质差别在于组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的（长程有序），而非晶体中这些质点基本上无规则地堆积在一起（长程无序）。高熵合金在大多数情况下都以晶体形式存在。晶体结构是决定固态金属的物理、化学和力学性能的基本因素之一。高熵合金中常见的晶体结构模型有面心立方结构、体心立方结构以及密排六方结构。
面心立方结构
高熵合金面心立方结构（FCC）与传统合金相似，只是不同原子倾向于随机占据晶格点阵，其引起的晶格畸变更加严重。当原子在高熵合金中随机排列，则形成无序FCC结构（A1结构）;当合金中原子间作用非常强烈，形成有序结构，如L12结构，即大部分面心位置由特定的一种金属原子占据，晶格顶点的位置由其他原子占据。与传统的L12结构相比，高熵合金中L12结构有序度稍有下降。
体心立方结构
高熵合金体心立方结构（BCC）模型依旧与面心立方结构（FCC）高熵合金相似，由不同原子随机占据体心立方结构（BCC）晶格点阵。当合金形成无序BCC固溶体结构时，原子随机分布在晶胞的顶点和体心位置，此结构为A2结构;当合金中原子出现有序排列时，如特定的原子占据体心位置，则形成有序B2或DO3等结构。只是相对于传统的BCC有序结构，此类有序结构的长程有序度也明显降低。
密排六方结构
高熵合金中密排六方结构（HCP）相对较少，已有的研究集中于稀土元素基的高熵合金。其中，Ho-Dy-Y-Gd-Tb、CoFeReRu合金呈现出单相HCP结构。与BCC和FCC金属有明显的固溶强化效应相反，HCP金属中并未出现明显的固溶强化效果。
非晶结构
高熵合金非晶结构往往也是由急冷凝固得到，即合金凝固时原子来不及有序排列成结晶，得到的固态合金是长程无序结构，无晶态合金的晶粒、晶界存在。
特点
高熵合金的比强度比传统合金高很多，而且抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性都比传统的合金要好。以往的合金中主要的金属成分可能只有一至两种。例如会以铁为基础，再加入一些微量的元素来提升其特性，因此所得的就是以铁为主的合金。以往的概念中，若合金中加的金属种类越多，就会使其材质脆化。但高熵合金和以往的合金不同，有多种金属却不会脆化，是一种新的材料。由于高熵合金可能具有许多理想的性质，因此在材料科学及工程上受到重视。
应用领域
与传统合金相比，高熵合金为合金设计带来新的观念，具备更多优异的性能，透过适当的合金配方设计，可获得高硬度、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀、高电阻率等特性组合，其特性优于传统合金，且应用层面丰富，如：高硬度且耐磨耐温耐蚀的工具、模具、刀具；高尔夫球头打击面、油压气压杆、钢管及辊压筒的硬面；高频变压器、马达的磁心、磁屏蔽、磁头、磁碟、磁光碟、高频软磁薄膜以及喇叭；化学工厂、船舰的耐蚀高强度材料；涡轮叶片、焊接材料、热交换器及高温炉的材料；超高大楼的耐火骨架；和微机电材料等。
生物材料
Ti-6Al-4V、Co-Cr-Mo合金因为具有良好的力学性能和耐蚀性而被应用在生物材料中。然而，这些合金中的有毒元素如Al、Cr、Ni、V等在长期植入过程中可能因腐蚀和摩擦而溶解，导致阿尔茨海默病、过敏反应和癌症。此外，这些合金的弹性模量通常高于骨骼的弹性模量，由此引起的“应力屏蔽效应”可能会导致植入物松动、骨质疏松等问题。Yang等研究了由单一BCC相组成的Ti20Zr20Hf20Nb20Ta20HEA在模拟生理环境中的生物腐蚀行为和体外生物相容性。该合金具有良好的力学性能，并且由生物相容性元素组成。与Ti-6Al-4V合金相比，Ti20Zr20Hf20Nb20Ta20表现出相对较低的弹性模量（~80 GPa）、较高的屈服强度（800~985 MPa）和良好的耐磨性。在TiZrHfNbTa表面进行的MC3T3-E1细胞培养实验展示出良好的细胞粘附性、活力和增殖性，这表明该合金具有良好的体外生物相容性。Hua等研究了TixZrNbTaMo（x=0.5、1、1.5和2）高熵合金的力学、腐蚀和磨损行为。结果表明Ti0.5ZrNbTaMo HEAs表现出约500HV的高硬度、接近2600MPa的高抗压强度和超过30%的大塑性变形；在磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中，Ti0.5ZrNbTaMo HEAs表面形成了优异保护性的氧化膜，具有高的耐蚀性，这些性质对生物医学领域的应用具有很大潜力。
冶炼、高温设备材料
在氧化和腐蚀环境中保持表面稳定是材料在高温下服役的关键条件之一，因为氧化和腐蚀导致的材料损失和表面退化最终会导致结构部件的失效。Tsao等研究了Ni-Co-Fe-Al-Cr-Ti元素组成的高熵高温合金（HESA）的高温氧化和腐蚀行为。结果表明，HESA的表面上形成氧化铬或氧化铝。与镍基高温合金CM247LC的抗氧化性和耐蚀性能比较表明，形成Al2O3的HESA在1100℃时的抗氧化性能强于镍基高温合金CM247LC，且形成Cr2O3的HESA在900℃时表现出优异的抗热腐蚀性。Gorr等研究表明，W-Mo-Cr-Ti-Al、Nb-Mo-Cr-Ti-Al和Ta-Mo-Cr-Ti-Al3种难熔HEAs在1000和1100℃下具有优异的抗高温氧化性能。同时文献表明，HEAs具有高的相稳定性，当其作为涂层材料时，不易与基体材料发生反应，并具有超过传统高温合金的抗高温软化能力[31]。因此，HEAs也可用作热扩散屏障材料。
工业运输、海洋环境材料
由于HEAs的“过饱和固溶体”特性，可以加入大量的抗腐蚀合金元素。目前研究表明HEAs在酸性、碱性、海洋性环境中均具有优异的抗腐蚀性能，可用作海洋环境下的抗腐蚀材料。用聚合物和陶瓷材料作为保护涂层均有一些局限性，例如陶瓷涂层易碎，而聚合物涂层的附着性较差，易脱落[33]。由AlCrFeNiW0.2Ti0.5HEAs制成的涂层具有高硬度（~692HV）和优异的耐摩擦性能。Hsu等[35]对比了铸态FeCoNiCrCux合金和304L不锈钢的耐蚀性，电化学结果表明，FeCoNiCr合金的腐蚀电流密度更小且点蚀点位大于304L不锈钢，说明FeCoNiCr在3.5%NaCl溶液中更容易钝化和耐腐蚀，比304L不锈钢表现出更好的耐蚀性。HEAs的耐蚀性对工业腐蚀性物质的运输和航空航天的事业发展都会产生帮助。
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合金材料新技術高熵合金之簡介.www.bsmi.gov.tw.2023-12-23
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