微纳尺度Laves相增强铸态高熵合金氢捕获性能及其储氢应用研究

本研究针对高熵合金(HEAs)在储氢应用中的关键问题，通过高压力扭转(HPT)和短时退火工艺，成功开发出具有超细晶结构的FCC相CoCrFeMnNi HEA和CoCrNi MEA，晶粒尺寸分别达到448/80 nm和410/200 nm（含/不含退火孪晶），创下单相材料最小晶粒记录。研究发现合金元素抑制动态回复和晶界迁移的特性是形成超细晶的关键，其晶界迁移活化能达纯镍的3倍，为设计高性能储氢材料提供了新思路。

　　

在能源危机和碳中和背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注，而高效安全的储氢材料开发是关键技术瓶颈。传统储氢合金存在重量大、吸放氢温度高等缺陷，高熵合金(HEAs)因其独特的化学复杂性和晶格畸变效应，展现出优异的氢捕获潜力。然而，铸态HEAs中粗大晶粒和有限氢陷阱位点限制了其性能突破，如何通过微观结构设计优化氢扩散路径和捕获位点成为关键科学问题。

日本京都大学Nobuhiro Tsuji团队在《Materials Science and Engineering: A》发表创新研究，通过高压力扭转(HPT)和精准退火工艺，在CoCrFeMnNi HEA和CoCrNi MEA中实现了创纪录的超细晶结构。研究采用同步辐射XRD定量位错密度、TEM原位观察再结晶过程、蒙特卡洛/分子动力学(MC/MD)模拟晶界原子排布等关键技术，系统揭示了HEAs中动态回复抑制和晶界迁移迟滞的微观机制。

3.1 严重塑性变形后的变形微观结构

通过HPT工艺在室温下施加196剪切应变后，HEA和MEA分别形成58 nm和43 nm的纳米晶结构，位错密度高达3.4×10¹⁶ m^-2和5.4×10¹⁶ m^-2。硬度测试显示动态回复被显著抑制，这与Labusch模型预测的固溶强化效应高度吻合。

3.2 初级再结晶后的微观结构

短时退火后获得完全再结晶(FRex)超细晶(UFG)结构，HEA和MEA晶粒尺寸（含退火孪晶）分别为200 nm和80 nm，创下单相材料最小记录。EBSD分析显示高比例大角度晶界(HAGBs)和退火孪晶(TBs)，证实再结晶过程中晶界迁移受阻。

3.3 初级再结晶后的晶界迁移动力学

晶粒生长活化能测定显示HEA(304 kJ/mol)和MEA(308 kJ/mol)均为纯镍的3倍。MC/MD模拟揭示原子尺寸差异(δ)导致晶界自由体积(V_GB)降低，几何抵消效应增强溶质拖拽作用。

这项研究突破性地证明：HEAs/MEAs中高浓度合金元素通过抑制动态回复产生超高密度位错(>10¹⁶ m^-2)，为再结晶提供充足形核位点；同时严重晶格畸变减小晶界自由体积，使晶界迁移活化能提升3倍。这两大特性协同作用，使材料在简单热机械处理后即可获得80 nm级超细晶，为开发新一代高密度氢陷阱储氢材料奠定理论基础。该成果不仅拓展了HEAs在能源领域的应用前景，更为多组元合金的晶界工程提供了普适性设计原则。