1 案例背景

耐火高熵合金（RHEAs）由合金化难熔元素组成，由于其扭曲的晶格和缓慢的扩散被认为是具有广阔应用前景的耐火材料。同时耐火高熵合金（RHEAs）具有非过敏性、无毒和耐磨性等特点，在生物医药领域也具有巨大应用潜力。本案例通过第一性原理密度泛函理论（DFT）分析两种RHEAs：HfNbTaTiZr及Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr的电子性质、机械性质和热力学性质。

2 建模与计算方法

作者通过MedeA SQS创建了bcc相两种RHEAs结构：HfNbTaTiZr及Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr；并采用Supercell Builder功能创建RHEAs超胞体系，超胞体系包含100个原子。随后作者采用MedeA-VASP模块中GGA-PBE方法对两种RHEAs进行结构优化并计算电子性质，其中采用截断能500 eV；K点：4x3x3；采用MedeA-MT模块分析力学性质及热力学性质。

3 结果与讨论

3.1 结构分析

作者MedeA SQS创建了bcc相两种RHEAS结构：HfNbTaTiZr及Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr，结构见图1。随后采用MedeA-VASP模块中GGA-PBE方法对HfNbTaTiZr及Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr 进行结构优化，晶格参数见图2。从图中可知，HfNbTaTiZr理论计算得到的晶格参数为3.403 À，等于实验值3.4 À；Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr晶格参数，计算值为3.391 À，实验值为3.405 À。合金原子浓度从等摩尔到非等摩尔，降低了合金的原子尺寸；合金尺寸降低是晶格收缩的原因，从而导致Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr晶格参数计算值降低。

图1 HfNbTaTiZr及Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr晶胞结构

图2 晶格常数计算值与实验值

3.2 弹性性质、硬度与热力学性质

作者采用MedeA MT模块分析两种RHEAS结构力学及热力学性质。力学性质中计算得到体模量B、剪切模量G、杨氏模块E及泊松比ν，见图3。两种RHEAs结构的弹性常数C11、C12和C44满足Born稳定性标准，说明HfNbTaTiZr及Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr晶体结构机械稳定。根据Pugh’s 规则，两种RHEAs合金B/G值均大于1.75，说明这些RHEAS合金具有延展性。此外，Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr具有较低的弹性模量，泊松比略高，表面其具有更好的塑性性能，是一种潜在的骨植入合金。

图3 两种RHEAs力学性质

作者进一步分析两种RHEAs热力学性质，图4为线性热膨胀系数（α_L）。从图中可知，Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr的α_L值在70 K之前与HfNbTaTiZr相同，随着温度超过100 K后，α_L值变得更高。Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr的德拜温度（θ_D）和热膨胀系数（α_L）都高于HfNbTaTiZr，说明它具有更好的热力学性能。

图4 两种RHEAs热膨胀系数

4 总结与展望

本案例中作者通过研究了两种RHEAS合金：HfNbTaTiZr及Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr晶体结构、力学性质及热力学性质。力学性质计算表面两种RHEAs合金具有机械稳定性，且两种RHEAs的晶格常数、密度、杨氏模量和硬度计算值与实验值一致。同时发现Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr具有较低的杨氏模块、高塑性和更好的热力学性能，是生物医学应用材料中潜在候选者。

参考文献：

Mater. Res. Express 8 (2021) 096534

使用MedeA模块：

√MedeA Environment

√MedeA VASP

√MedeA MT