《Radiation Physics and Chemistry》：Resistance of refractory high-entropy alloys to ultrafast laser irradiation
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高熵合金MoNbTaVW和HfNbTaTiZr在超快激光辐照下的电子-声子耦合特性及抗辐射性能研究。通过XTANT-3混合模拟代码，分析显示两种合金在电子温度高达~25,000 K时未发生非热熔化，其抗辐射性能优于Cantor合金和不锈钢，主要损伤机制为Ti原子选择性扩散形成的瞬态超离子态。
Nikita Medvedev
捷克科学院物理研究所，Na Slovance 1999/2，182 00 布拉格8，捷克共和国
摘要
采用混合代码XTANT-3对难熔高熵合金MoNbTaVW和HfNbTaTiZr在超快激光辐射下的响应进行了建模，该代码结合了紧束缚分子动力学、传输蒙特卡罗方法和玻尔兹曼方程。研究了电子温度升高而原子晶格保持低温的双温度状态。评估了这种状态下电子系统的参数：电子热容、热导率以及电子-声子耦合参数，电子温度最高可达约25,000 K。研究还表明，在沉积剂量约为10 eV/原子的情况下，这两种难熔合金没有出现非热熔化的现象，这使它们比Cantor合金或不锈钢具有更强的抗辐射能力。这些结果表明，重元素高熵合金比仅含轻元素的合金具有更强的抗辐射性能。
引言
高熵合金（HEA）是由五种或更多种金属元素组成的固溶体，这些元素的含量大致相等（也称为多主元素合金）（Cantor等人，2004年；Yeh等人，2004年）。自从发现这些合金并证明其卓越的性能（超越了标准的主元素合金）以来，它们在需要高性能、耐腐蚀性、抗机械应力、耐极高温度和恶劣辐射条件的工业和研究中得到了广泛应用（Yen等人，2024年）。能够同时具备高温、化学和抗辐射特性的材料激发了当前对高熵合金的研究（Irimiciuc等人，2025年；San等人，2023年；Senkov等人，2010年）。
最近制备的难熔高熵合金（RHEA）含有各种化学成分的难熔金属（Irimiciuc等人，2025年；San等人，2023年；Senkov等人，2010年）。RHEA在机械和热性能方面表现出色，能够承受高载荷（Hasan等人，2025年；Kitagawa等人，2022年；Moreno和Hargather，2023年；Rietema等人，2025年）。这些材料还表现出极强的抗化学降解能力，如氧化、腐蚀或膨胀（Dewangan等人，2022年）。它们正在被积极研究，以应用于航空航天、外太空、核电站和等离子体诊断等恶劣环境（Cheng等人，2023年；Ferreirós等人，2023年；Irimiciuc等人，2025年；Pacchioni，2025年）。
有研究表明，基于钨的RHEA在常规辐照条件下（低通量或低剂量率）具有较高的抗辐射性能，这一结论得到了理论和实验研究的证实（Mo等人，2024年；Wang等人，2024年）。其他研究探讨了RHEA对离子辐照的抵抗能力（Byggm?star等人，2024年，2019年；Esfandiarpour等人，2025年；Xiong等人，2024年；Yang等人，2025年）。尽管近年来RHEA的应用有所增加，但它们对超快辐照（极高剂量率）的响应仍是一个未解决的问题（Cheng等人，2023年）。例如，RHEA纳米颗粒在癌症组织的光热治疗中获得了新的应用（Pavithra等人，2022年）。这些纳米颗粒是通过飞秒激光烧蚀技术制备的（Jahangiri等人，2023年）。
本研究中研究了两种RHEA的例子：等原子比的MoNbTaVW和HfNbTaTiZr。使用先进的XTANT-3代码对这些合金进行了建模，该代码能够同时描述非平衡状态、非热改性、电子结构和原子间势的演变，以及电子与离子之间的非绝热耦合（电子-声子耦合）（Nikita Medvedev，2023年）。该代码能够在足够大的模拟空间内模拟所有由超快辐照引发的关键效应，从而描述原子系统在超快能量沉积下的演变过程（Medvedev等人，2018年；Nikita Medvedev，2023年）。
在这里使用XTANT-3代码来评估这两种合金在飞秒激光辐照条件下的电子特性。该代码可以计算出电子热容、电子热导率以及电子-声子耦合强度，电子温度最高可达约25,000 K（Medvedev等人，2024年；N. Medvedev和Milov，2020年）。动态模拟还揭示了RHEA对辐照的响应，表明MoNbTaVW和HfNbTaTiZr在非常高的沉积剂量下也不会出现非热熔化现象（即电子激发不会导致化学键断裂），这进一步支持了它们具有极强抗辐射能力的结论，甚至与Cantor合金和不锈钢相比也是如此（Medvedev，2025a，2025b）。
代码片段
模型
在这项工作中，应用了XTANT-3混合模拟工具来研究超快激光辐照条件下的材料参数演变（Nikita Medvedev，2023年）。该代码结合了几种方法来全面模拟材料辐照的各种效应：（i）传输蒙特卡罗模拟用于描述光吸收、电子级联、核心空穴的俄歇衰变（如果产生的话）以及快速电子与原子的散射；（ii）玻尔兹曼方程……
结果
首先评估了这两种RHEA的电子特性，这些特性是金属激光辐照标准建模中的关键参数，例如双温度模型或双温度分子动力学（Rethfeld等人，2017年；Shugaev等人，2016年）。
MoNbTaVW和HfNbTaTiZr的部分电子态密度见附录。根据电子态密度和数值计算的化学势，可以得出特定的电子热容……
结论
使用XTANT-3模拟工具研究了等原子比的难熔高熵合金（RHEA），即MoNbTaVW和HfNbTaTiZr，探讨了电子激发、电子结构的改变、电子激发引起的原子间势的变化以及电子-声子耦合。计算了电子温度高达约25,000 K时的电子热容、热导率和电子-声子耦合强度。
研究发现，与Cantor合金和不锈钢相比……
未引用的参考文献
EPICS2025；Jeschke等人，1999年；Medvedev，2023年；Medvedev和Milov，2020年。数据和代码的可用性
用于获取电子特性和模拟辐照效应的XTANT-3代码以及输入数据（包括光子和电子的平均自由路径）可从（Nikita Medvedev，2023年）获取。计算出的电子热容、热导率和电子-声子耦合参数的表格也可从（N. Medvedev，2023年）获取。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
计算资源由e-INFRA CZ项目（ID:90254）提供，该项目得到了捷克共和国教育、青年和体育部的支持。作者感谢捷克教育、青年和体育部（拨款编号LM2023068）以及欧洲委员会Horizon MSCA-SE项目MAMBA [HORIZON-MSCA-SE-2022 GAN 101131245]的财政支持。
