[論文レビュー] High entropy ceramics for applications in extreme environments

Thomas Z. Ward, Ryan Wilkerson+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2024

High Entropy Alloys Studies参考文献 133被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、化学的複雑性と混合結合（イオン性／共有結合）を活用して、優れた構造的・熱的・化学的安定性を実現する次世代の極限環境用材料として、ハイエントロピー・セラミックス（HECs）を提案する。著者らは、HECsにおける局所的な不規則性が放射線、高温、腐食環境下でも自己修復性と耐性を発揮することを示し、内在的に耐久性のある電子的・磁気的・光学的デバイスの実現に道を開く。

ABSTRACT

Compositionally complex materials have demonstrated extraordinary promise for structural robustness in extreme environments. Of these, the most commonly thought of are high entropy alloys, where chemical complexity grants uncommon combinations of hardness, ductility, and thermal resilience. In contrast to these metal-metal bonded systems, the addition of ionic and covalent bonding has led to the discovery of high entropy ceramics. These materials also possess outstanding structural, thermal, and chemical robustness but with a far greater variety of functional properties which enable access to continuously controllable magnetic, electronic, and optical phenomena. In this perspective, we outline the potential for high entropy ceramics in functional applications under extreme environments, where intrinsic stability may provide a new path toward inherently hardened device design. Current works on high entropy carbides, actinide bearing ceramics, and high entropy oxides are reviewed in the areas of radiation, high temperature, and corrosion tolerance where the role of local disorder is shown to create pathways toward self-healing and structural robustness. In this context, new strategies for creating future electronic, magnetic, and optical devices to be operated in harsh environments are outlined.

研究の動機と目的

• 従来の材料が失敗する極限環境におけるハイエントロピー・セラミックス（HECs）の可能性を調査すること。
• ハイエントロピー・アロイの限界を補うために、イオン性および共有結合を有するセラミックス系を組み込むことで、機能的多様性を向上させること。
• 放射線、高温、腐食環境下におけるHECsの構造的耐性および自己修復のメカニズムを同定すること。
• 次世代の極限環境用デバイスに適した、HECsを用いた設計原則を提示すること。

提案手法

• ハイエントロピー碳化物、アクチニド含有セラミックス、ハイエントロピー酸化物に関する最近の実験的・理論的研究を体系的にレビューする。
• 局所的原子不規則性と極限条件下での結晶構造安定化に果たす役割を分析する。
• 組成が複雑なセラミックスの比較的評価を通じて、機械的・熱的・化学的耐性を評価する。
• 計算モデルと材料特性評価を用いて、結合性質（イオン性／共有結合）と機能的特性の相関を特定する。
• 不規則なHEC格子内の構成エントロピーと欠际ダイナミクスに関連する自己修復経路を同定する。
• 模擬極限環境下でのHECsの合成と試験を通じて、安定性および機能性の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイエントロピー・セラミックスにおける化学的複雑性は、極限条件下での構造的耐性をどのように向上させるか？
• RQ2 局所的原子不規則性は、HECsにおける自己修復性および欠际耐性をどのように実現するか？
• RQ3 ハイエントロピー・セラミックスは、高放射線、高温、腐食環境下でも機能的特性（電子的・磁気的・光学的）を維持できるか？
• RQ4 HECsにおける混合イオン性および共有結合性は、多機能性および安定性にどのように寄与するか？
• RQ5 次世代の極限環境用デバイスで信頼性を発揮するHECsを設計するための戦略は何か？

主な発見

• ハイエントロピー・セラミックスは、高い構成エントロピーと欠际耐性のおかげで、放射線損傷に対して顕著な耐性を示す。
• HECsにおける局所的不規則性が自己修復の経路を形成し、放射線被害の蓄積を低減する。
• ハイエントロピー酸化物および炭化物は、高温環境および腐食環境下でも構造的整合性を維持する。
• HECsにおける混合結合性（イオン性／共有結合）のおかげで、電子的・磁気的・光学的特性を調整可能となる。
• アクチニド含有ハイエントロピー・セラミックスは、安定性と放射線耐性の向上のおかげで、核利用への応用が有望である。
• HECsの内在的安定性により、保護被膜に依存しない、本質的に耐久性のあるデバイスの実現が可能となる。