《Vacuum》：Designing a tunable multiphase architecture in porous Al
xFeCrNi high-entropy alloys for synergistic strength, ductility, and thermal shock resistance
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本研究提出基于高熵合金（HEA）的多孔过滤器设计策略，通过调节Al含量（0.3-1.0）实现相结构（FCC/BCC→BCC/B2）转变，孔隙率（38.8%-46.5%）和气体渗透率（4612.7-13541.8）优化，Al0.7样品在50次热循环后强度显著提升（177.8→239.6 MPa），展现出优异的热冲击性能，为极端热力环境下的过滤器开发提供了新范式。
Xuexin Gong|Na Wei|Xianpeng Huang|Xiaojie Song|Fengshuang Wang|Xiaoli Zhang|Hongzhi Cui
山东科技大学材料科学与工程学院，中国青岛市266590
摘要：
为了解决传统多孔过滤器由于固有脆性而导致的热震抗性有限的问题，本文提出了一种基于高熵合金（HEAs）的新型材料设计策略。通过反应烧结制备了一系列具有不同铝含量（x = 0.3、0.5、0.7、1.0）的多孔AlxFeCrNi HEAs。系统地研究了铝含量对相变、微观结构、压缩强度和热震抗性的影响。随着铝含量的增加，相结构从双FCC+BCC相（x = 0.3、0.5）转变为以BCC相为主（x = 0.7、1.0）。相应地，孔隙率从38.8±2.1%上升到46.5±0.6%，平均孔径从约0.84 μm增加到约1.22 μm，从而显著提高了气体通量，从4612.7±194.9 m3·m-2·h-1·bar-1增加到13541.8±680.6 m3·m-2·h-1·bar-1。值得注意的是，Al0.7样品在孔隙率为40.8±0.5%、压缩强度为177.8±18.8 MPa以及低热膨胀系数（约15.2×10-6 K-1）的情况下达到了最佳平衡。有趣的是，经过50次热循环后，其压缩强度进一步增加到239.6±58.5 MPa，显示出卓越的热震抗性。本研究展示了HEAs在设计高性能多孔过滤器方面的巨大潜力，并为其在严苛热机械环境中的应用奠定了基础。
引言
多孔过滤材料在高温烟气净化、柴油颗粒捕获以及化学催化和分离等过程中作为关键的功能组件，直接影响系统的过滤效率、能耗和长期运行稳定性[1]、[2]、[3]。传统的多孔过滤材料主要包括多孔陶瓷、多孔金属和陶瓷纤维复合材料。其中，多孔陶瓷（如堇青石、碳化硅和氧化铝）因其优异的高温稳定性、耐腐蚀性和低成本而被广泛使用[4]、[5]、[6]。然而，它们固有的脆性和较差的热震抗性显著限制了其在严苛热机械条件下的应用。相比之下，多孔金属（如金属毡和铝泡沫合金）具有较高的韧性以及优异的热导率和电导率[7]、[8]。然而，它们通常存在高温氧化和耐腐蚀性不足的问题，且成本相对较高。陶瓷纤维复合材料由随机排列或编织的陶瓷纤维组成，具有高孔隙率和出色的热震抗性[9]、[10]、[11]，但其相对较低的机械强度常常导致使用过程中纤维分层。因此，迫切需要开发新型过滤材料，以兼具高温耐久性、强大的热震抗性和足够的机械强度，以满足下一代高温过滤应用的需求。
高熵合金（HEAs）通过将成分探索转向多组分相图的中心，彻底改变了传统合金设计[12]、[13]。这大大扩展了设计新型合金系统的自由度，使得能够开发出具有优异且通常可调性能组合的材料，超越了传统合金的性能。显著的增强特性包括高强度[14]、[15]、高硬度[16]、[17]、强抗疲劳性和抗断裂性[19]、[20]、良好的热稳定性[21]、[22]、[23]、优异的耐磨性[24]、优异的耐腐蚀性[18]、[25]、[26]、吸引人的电学和磁学性能[27]以及出色的抗辐照性[28]、[29]。由于这种独特的多功能性，HEA设计策略为设计兼具结构和功能特性的多孔过滤材料提供了非常有前景的途径，例如高强度、高韧性和出色的热震抗性，从而确保在苛刻环境中的长期服务稳定性。
在本研究中，创新地将HEAs概念应用于多孔过滤材料的设计。我们证明了通过策略性地调整多孔AlxFeCrNi HEAs中的铝含量，可以精确调控多相结构（FCC/L12和BCC/B2），同时控制相互连接的孔结构、机械性能和高温氧化行为。这与传统的优化固定材料成分的方法形成了根本性的转变，实现了单一材料系统中强度、延展性和热震抗性之间的内在协同作用。值得注意的是，Al0.7成分在热循环后压缩强度得到了进一步提升。因此，这项工作建立了一种新型的材料设计范式，展示了成分可调HEAs在开发能够承受极端热机械环境的下一代多孔过滤器方面的巨大潜力。
材料制备
材料的制备
实验中使用了市售的铝粉（纯度99.9 wt.%，粒径15-53 μm，北京华越科技有限公司）、铁粉（纯度99.9 wt.%，粒径45 μm，北京华越科技有限公司）、铬粉（纯度99.9 wt.%，粒径45 μm，北京华越科技有限公司）和镍粉（纯度99.9 wt.%，粒径15-53 μm，北京华越科技有限公司）作为原材料。图S1展示了所有粉末的形态。根据Alx的名义成分对粉末进行了称量。
结果与讨论
图2显示了制备样品的XRD图谱。如图所示，对于Al0.3和Al0.5样品，多孔HEAs由FCC/L12和BCC/B2相组成。当铝含量增加到0.7和1.0时，相组成完全转变为BCC/B2结构。在BCC/B2为主的样品（Al0.7和Al1.0）中，大约在32°和55°处观察到的衍射峰分别被识别为B2相的（100）和（111）反射峰。
结论
通过1300°C下的反应烧结合成了不同铝含量（x = 0.3、0.5、0.7、1.0）的多孔Al
xCrFeNi高熵合金（HEAs）。系统研究了铝含量对微观结构、机械性能和热震抗性的影响。主要发现总结如下：
(1)随着铝含量的增加，多孔AlxFeCrNi HEAs的相结构从混合的FCC+BCC结构（x = 0.3、0.5）转变为以BCC+B2结构为主（x = 0.7），
作者贡献声明
Xianpeng Huang：软件开发、数据管理。
Xiaojie Song：写作——审稿与编辑、实验研究。
Xuexin Gong：写作——初稿撰写、验证、方法学设计、数据管理、概念构思。
Na Wei：写作——审稿与编辑、实验研究、资金获取、数据分析。
Hongzhi Cui：写作——审稿与编辑、项目监督、资金获取。
Fengshuang Wang：项目监督、项目管理、数据分析。
Xiaoli Zhang：写作——审稿与编辑、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国山东省重点研发计划（编号2023ZLGX05）、国家自然科学基金（编号52331004）、中国博士后科学基金（编号2023M732677）、山东省博士后创新项目（编号SDCX-ZG-202303086）、山东省自然科学基金重点计划（编号ZR2024ZD14、ZR2022ZD12）以及泰山学者攀登计划（编号tspd20230603）的支持。
