综述：利用小尺寸试验板评估未固化水泥混凝土路面上临时交通桥系统中钢筋混凝土板性能的方法

《Materials》：Methodology for Evaluating Behavior of Reinforced Concrete Slabs in Temporary Traffic Bridge Systems over Uncured Cement Concrete Pavements Using Small-Scale Experimental Slabs Soon Ho Baek, Kang In Lee, Sang Jin Kim, Geon Lee and Seong-Min Kim

　　

由金属形成的高熵合金通常被分类为具有磁性元素（如Fe、Co和Ni）的合金以及含有显著百分比铝的合金。在第一种情况下，最具科学和技术兴趣的功能响应是机械和磁性的。关于应用，主要兴趣集中在健康和能源。在用于获得粉末形式高熵合金的各种技术中，最广泛应用之一是机械合金化（mechanical alloying, MA）。本综述回顾了最新成果和前景，包括机器学习。

**1. 引言**
**1.1. 机械合金化**
机械合金化（MA）是一种固态合成技术，通过机械研磨粉末前驱体（或碎屑）产生粉末颗粒。研磨介质（容器和球）与粉末之间的多次强烈机械碰撞和摩擦通常在原子水平上形成合金。当球在球-粉-球或球-粉-容器碰撞过程中动能较高时，研磨被视为高能。由于粉末颗粒的反复焊接和断裂，随时间推移形成合金和化合物并细化结构。实验室级研磨设备为行星式或振荡式。行星式研磨机中，容器在反向旋转的平台上单向旋转。加工特征参数是研磨频率或强度，频率/强度越高，传递给粉末的能量和功率越大。低频率/强度时主要过程为磨蚀，高频率时为冲击。随能量增加，晶体缺陷密度增加。为避免氧化，研磨在惰性氩气或氮气气氛下进行。污染常来自研磨介质，因此需事后进行成分分析。研磨时间也是相关参数，过程可分为初始混合阶段、焊接或断裂主导阶段以及稳态阶段。研磨过程中粉末局部温度升高，通常采用占空比（开关循环）避免过热。容器填充体积建议为50%–67%，球粉重量比（BPR）典型值为5:1或20:1。高BPR增加能量传递。球尺寸可相同或两种不同尺寸以促进曲面区域相互作用。研磨过程中常进行中间取样以分析微观结构演变。颗粒的脆性或延性行为决定冷焊或断裂，过程控制剂（PCA）可抑制过度冷焊和团聚，促进自由表面生成，有利于元素扩散和合金形成。PCA可为液体或固体，如甲醇、乙醇、硬脂酸等，同时会减小晶粒尺寸。颗粒形状和尺寸（通常微米级）及比表面积影响材料适用性。工业化的主要限制是从实验室规模放大，以及粉末固结后保持微观结构和功能性能。

**1.2. 高熵合金**
高熵合金（HEAs）通常定义为至少包含五种元素，每种元素原子百分比在5%–35%之间。作为多组分系统，其原子半径、平衡晶体结构和键能各异。不同尺寸阻碍位错运动、促进晶格畸变并导致固溶强化。五种或更多元素共存时产生协同效应（鸡尾酒效应）。扩散速率由最慢者主导，促进纳米晶结构形成、降低颗粒粗化速率并提高再结晶温度。核心效应包括高熵、晶格畸变、缓慢扩散和鸡尾酒效应。HEAs可形成面心立方（FCC）、体心立方（BCC）、密排六方（HCP）、非晶合金或共晶混合物等固溶体。机械合金化有利于形成扩展固溶体和亚稳相，也会导致高密度晶体缺陷和介质污染。HEAs有多种分类方式，如基于元素周期表分为FCC强韧型、BCC难熔型、HCP型、轻质型和贵金属功能型；或基于化学性质分为3d过渡金属HEAs（3d TM HEAs）、难熔HEAs、低密度HEAs和镧系元素HEAs。Fe、Co、Ni基HEAs具有磁性；Co、Ni、Mn、Ti提高耐腐蚀性；Cu、Ni促进FCC相，Al、Ti促进BCC相；Co含量增加提高抗压强度和断裂应变，Ni含量改变滑移模式增强塑性。

**1.3. 高熵合金的机械合金化**
机械合金化制备HEAs时，纳米尺度元素混合增强高熵效应和缺陷生成；塑性变形增加晶格畸变；均匀分布促进鸡尾酒效应；自由表面增强低温缓慢扩散。但需注意成分偏移、介质污染、非晶相诱导以及固结和退火引起的微观结构和性能变化。MA利于形成亚稳非平衡相（如金属间化合物、纳米晶、非晶、过饱和固溶体）。高密度缺陷导致高晶格畸变（高于其他技术），加速热处理中的原子传输，增加储能。污染主要来自研磨工具（铁）、气氛（氧）或PCA（碳），形成氧化物或碳化物，可通过MA参数优化减轻。主要问题及缓解措施包括：粉末表面积/体积比（惰性气氛研磨）、研磨工具污染（降低强度或耐磨介质）、长研磨时间（提高能量或后续退火）、相不均匀性（退火）、团聚（使用PCA）、微应变和缺陷（热处理）、不规则形状（激光球化）、固结密度（高压或烧结）、实验室到工业放大（建模）。研磨时间通常需较长（可达200小时）以获得单相；球粉重量比（BPR）高促进断裂，低促进冷焊，典型5:1–20:1；PCA添加量约1–3 wt.%；转速影响能量传递，高转速下碰撞主导。热退火需定制，温度过高会消除纳米晶优势。MA与铸造和增材制造相比具有独特微观结构。热力学上，MA通过机械能克服正混合焓形成单相固溶体；动力学上，高缺陷密度降低固相转变活化能，促进纳米尺度扩散。相稳定性受晶界、位错、空位和反位缺陷影响。

**2. 实验方法**
**2.1. 颗粒表征**
机械合金化粉末需表征颗粒尺寸分布、形状、晶体结构、热稳定性和功能响应。扫描电子显微镜（SEM）用于观察形貌，元素映射验证多元素均匀性。动态光散射（DLS）测量粒径分布，BET（Brunauer–Emmett–Teller）技术测定比表面积。X射线衍射（XRD）检测单相固溶体形成和相演化，随研磨时间增加趋向单相。MA产生纳米晶结构，如AlCoFeCrVNi和AlCoFeCrVTi HEAs通过MA和压力烧结成功合成，固溶强化和晶格畸变增强强度。MA还可通过缺陷积累和应变诱导非晶化形成非晶相。

**2.2. 固结与增材制造**
MA粉末需进一步固结获得块体，包括压制、烧结、锻造、轧制、注塑成型和增材制造（AM）。压制包括单轴、等静压、冷、温、热压及挤压，常结合烧结。烧结技术如放电等离子烧结（SPS）、真空热压烧结（VHPS）和微波辅助烧结（MAS）。冷压+烧结样密度约90%，热等静压可达98%，SPS密度>99%且保持纳米晶。固结参数（压力、温度、时间）需优化以提高密度、减少孔隙，但过高可能诱发有害相。增材制造中激光粉末床熔融的能量密度（VED）影响密度：低VED导致未熔合和高孔隙率，中等VED实现最大致密化，过高VED产生匙孔孔隙和蒸发。粉末形状常通过激光球化预处理以改善流动性。MA粉末也可用于制备涂层，如大气等离子喷涂FeCoNiCrAl和FeCoNiCrMn涂层，分析硬度、摩擦系数、耐磨性等。HEA还可作为增强颗粒制备复合材料（HEACs），如添加碳化物形成第二相增强基体。

**3. 性能**
**3.1. 力学行为**
HEAs的力学性能包括屈服强度、延性、硬度、耐磨性和疲劳性能。MA增加研磨能量导致严重塑性变形、临界缺陷密度、晶粒细化和相亚稳性，从而增强力学性能。主要机制：位错累积（可达10¹⁵–10¹⁶ m^-2）、空位生成、储能。晶粒细化至最小值，最终尺寸是细化与回复再结晶的竞争结果。亚稳相可形成过饱和固溶体、非晶、中间相和同素异构转变。硬度强化机制包括固溶、应变、沉淀和晶界强化。随研磨时间增加，硬度先增后稳；延性可能因污染而降低。晶相影响力学响应：FCC相高延性低强度，BCC相高强度脆性，双相共存时诱导塑性。退火可形成第二相提高强度。应力-应变试验提供弹塑性信息。耐磨性与硬度相关，随研磨时间和成分变化，如Ta含量增加导致FCC+HCP双相Laves相。晶粒尺寸随BPR增加而快速减小，遵循幂律关系。耐磨测试表明沉淀强化和FCC相润滑作用改善耐磨性。强度与韧性存在权衡，但超细晶可改善强度而不显著损失韧性。孔隙率影响力学性能，完全致密化理想。MA+传统固结样品（如SPS）通常具有最高硬度和屈服强度，铸造样品强度低延性高，AM样品性能居中。

**3.2. 化学性能**
耐腐蚀性（包括高温氧化）为化学性能。MA增加粉末表面积/体积比促进表面氧化。分析手段包括成分、电化学和光谱方法。固溶体微观结构使HEAs可用作催化剂（如CO氧化、氨氧化、氧还原）。非化学计量HEAs可定制成分，用于电化学传感器。MA在电催化中具有无溶剂、可控批量生产、避免元素偏析等优势。极化曲线和X射线光电子能谱（XPS）分析氧化物层。Cu的添加可能因点蚀和微电偶腐蚀降低耐蚀性。

**3.3. 功能性能与应用**
**3.3.1. 健康**
HEAs用于生物医学的体外腐蚀防护，高熵效应稳定耐蚀相。混合生物相容元素（Ti、Al、Nb、Zr、Mo、Ag、Ta）可替代Ti-Al基合金。抗菌性能测试表明对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有增强活性。需避免活性金属、有毒元素和稀土元素。

**3.3.2. 难熔辐射屏蔽**
HEAs用于吸收微波或射频辐射（≥90%–95%），需轻质和环境稳定。MA有利于形成非晶/晶体混合物和片状形貌，增强微波散射截面。成分以Fe-Co-Ni基为主，添加Cr、Cu等。辐射屏蔽包括γ射线衰减和中子辐射，参数包括辐射类型、粒子能量、通量、注量等。Fe-Co-Ni基铁磁HEAs可作为B₄C和石墨的替代品，用于快中子移除。辐射诱导微观结构变化包括偏析、位错、空腔、气泡、杂质和溶解度变化，导致硬化。控制成分和微观结构对优化耐蚀性和热稳定性至关重要。难熔碳化物和相关HEAs用于航空航天屏蔽。

**3.3.3. 磁学应用**
Fe-Co-Ni基HEAs用于磁传感器和高频变压器等。晶粒尺寸减小有利于磁软性，但机械诱导微应变增加矫顽力和磁滞损耗。可控低温退火可减少微应变，恢复软磁行为。钴增加饱和磁化强度，镍减少。磁滞回线测定矫顽力、饱和磁化强度、剩磁和矩形比。不同研磨时间下相演化影响磁响应。磁热材料通过铁磁-顺磁可逆转变产生巨磁热效应，需退火恢复晶体结构。例如(Mn, Fe)₂(P, Si)基合金具有六方-正交相变。有效温度T_eff参数用于磁热HEAs。表面氧化层抑制软硬磁复合相间的交换耦合。

**3.3.4. 能量**
HEAs用于储氢，MA促进过饱和无序固溶体，但缺陷（空位、位错）作为氢陷阱影响动力学和容量。元素尺寸差异提高氢含量。热电材料中，MA制备粉末后SPS固结，MA诱导缺陷降低电导率，热处理可调节参数增加品质因数ZT。超导材料和光热转换材料也可通过MA生产。

**4. 近期路径**
新家族包括高熵氧化物用于电化学、催化、储能、环境、气体传感等。控制功能性能需设计热处理或添加微量元素。增材制造（AM）技术（如选区激光熔化、粉末床熔融、挤出等）成为固结HEAs的新途径，但需球形颗粒，而MA产生不规则颗粒，可通过激光球化改善。机器学习（ML）在成分选择和处理条件优化中作用日益重要，使用价电子浓度和熔点等判据。预测精度需接近或高于90%，依赖高质量数据库。ML在相选择、堆垛层错能、强化机制、变形机制和力学性能中有实际应用。人工智能（AI）也应用于成分设计、相预测、性能优化和新材料发现。建议将ML与实验和计算方法（第一性原理、蒙特卡洛）集成，关联处理条件、微观结构和性能。

**5. 结论**
机械合金化是生产粉末状高熵合金的最广泛技术之一，有利于形成亚稳相和高密度晶体缺陷，适用于能源、可持续性和健康领域。优化固结和烧结工艺及后续热处理对获得块体部件至关重要，旨在优化微观结构以增强功能性能。新研究方向包括使用MA粉末作为增材制造原料，需控制粒径和形貌；以及应用机器学习和增材制造优化成分和性能，其中全面可靠数据库的建设是关键。