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高熵材料怎么判断高熵?配位熵、混合焓与多尺度熵耦合的DFT计算与实验验证

说明:本文华算科技介绍了判断高熵材料“高熵”的理论与计算方法,说明如何将配位熵与混合焓、振动与电子熵随温度耦合,通过DF

Sconf,并以ΔG(T)评估单相稳定性;

研究温度依赖的有序性,声子与电子熵修正高温自由能,最后强调需辅以XRD、DSC和显微化学表征来验证计算预测。

什么叫“高熵”

的核心概念来自于熵(configurational entropy)。在一个由多种元素近摩尔比混合的固溶体中,构型数巨大,对应的配位熵可以用统计力学计算:Sconf=-Rixilnxi,对等摩尔的元体系,近似为Sconf=RlnN。

高熵材料的名字强调正是这部分较大的混合熵,它在高温下可以抵消不利的混合焓(mix四大核心效应换句话说,“”是熵推动下的相稳定现象,但是否能形成单相还取决于焓、尺寸不匹配、电子因素和动力学因素。因此判断“高熵”不能只看元素个数,而要把熵与其他热力学量放在一起比较。

计算化学如何判断与量化

1)先用第一性原理(DFT)计算mix

Sconf并估算总吉布斯自由能mixtotalS可包含配位熵、振动熵和电子熵)。

,则热力学上可。

(绿色点标注单相固溶体,红色标注金属间化合物),直观反映了高熵合金的相稳定性与成分关系。

进一步()配合蒙特卡洛模拟获得温度依赖的短程有序参数和相变温度;声子谱计算可给出振动熵贡献,电子态密度可估算电子熵。

经验性或半经验描述符可作初筛mS的比值)、价电子浓度()等,都用于预测形成单相固溶体的倾向。CALPHAD在实际判断时,推荐一个:

Δmix,对潜在候选做ΔG(T)图;

研究有序—无序转变与短程有序;

高熵因此综合热力学计算、动力学评估与实验表征,才能可靠判断一个材料是否真“高熵”并由熵主导其宏观相结构下图展示了高熵纳米材料的四大核心概念aS/R ≥ 1.61对单相形成的促进作用;

降低吉布斯自由能,晶格畸变提升稳定性,鸡尾酒效应“高熵热力学平衡计算化学为此提供从原子到宏观的:DFT给出焓基准,统计力学和簇扩展+蒙特卡洛揭示温度下的相行为,声子与电子计算补充振动和电子熵,CALPHAD融合数据库用于相图预测。

可达性与实验制备条件,用相互验证的计算—实验流程判断材料是否在可操作温域内由熵主导稳定。总之,可靠判断高熵材料需要把熵放进完整的热力学与动力学框架中,而非单纯以“多元素”等式为准。