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东华大学/苏州科技大学团队：温度驱动下闪蒸焦耳加热法制备 FeCoNiMnCr 高熵合金纳米颗粒的成分、形貌及晶体结构演化
来源:苏州开瑞仪器有限公司 | 作者:苏州开瑞仪器有限公司 | 发布时间: 24天前 | 27 次浏览 | 分享到:
本研究阐明了闪蒸焦耳加热（FJH）温度对FeCoNiMnCr高熵合金纳米颗粒（HEA NPs）成分均一性、形貌多样性及晶体结构的精准调控机制：温度梯度（1300–2000°C）驱动纳米颗粒经历从相分离到异质结构再到非晶化的定向演化，而多脉冲FJH技术进一步实现了异质界面的可编程构建。 这一发现不仅揭示了非平衡合成中热力学与动力学的竞争规律，更将FJH发展成为可定制化HEA纳米材料的通用平台。在催化领域，异质结构设计可有效优化活性位点暴露与电子传递；在功能材料领域，非晶/晶界复合结构有望显著提升机械与磁学性能。未来研究需进一步探索温度窗口与多元组分的普适性映射关系，并发展连续化FJH装置，以推动该技术的产业化应用。

       高熵合金（HEAs）作为一种革新性的材料设计理念，突破了传统合金以单一元素为基体的模式，通过多种主元素近乎等原子比混合，展现出高强度、优异催化活性等卓越综合性能。其独特性能源于内在的四大核心效应，因此在航空航天、能源催化等众多领域展现出巨大应用潜力。  然而，其成分组合空间极大（理论上可包含数十种元素），筛选特定应用的最优成分如同大海捞针，异常困难。更关键的是，现有主流合成方法不仅耗时漫长，对产物成分与结构的调控能力也有限，严重制约了高性能HEA材料的快速开发与实际应用。因此，开发一种可快速合成且能精确调控HEA纳米材料成分与结构的制备技术，成为当前材料科学领域亟待攻克的关键科学问题。


文章概述

       本研究聚焦加热温度这一核心参数，旨在揭示其对高熵合金纳米颗粒（NPs）形成过程的精确调控机制。为此，研究人员采用闪蒸焦耳加热（FJH）这一超快速（秒级）合成技术，在碳纳米管基底上制备了FeCoNiMnCr五元高熵合金体系。通过系统调节FJH过程的温度（从约1300°C至2000°C以上），深入探究了温度对纳米颗粒化学组成（元素结合状态）、形貌特征（颗粒形态）及晶体结构（原子排列有序性）的演化规律。  核心发现在于：温度不仅决定元素能否均匀混合，更精准“塑造”了产物的最终形态——低温下产物发生成分与形貌的分离（相分离），中温时形成亚稳态的独特复合结构（异质结构），高温则可得到理想的均质球形高熵合金；同时，极高温度会引发特定元素（如Mn）的挥发。这一发现不仅证实FJH是合成可定制化HEA纳米材料的强大工具，更为理解极端非平衡条件下的材料形成机制提供了重要启示。


图文示意

图1. FJH法可控合成HEA NPs的示意图与温度诱导演化(a) FJH合成装置示意图；(b) 不同温度下NPs成分与形貌的演化规律。

        闪蒸焦耳加热（FJH）技术通过调控热力学与动力学过程（电流2–6 A，脉冲时长2 s），实现了FeCoNiMnCr高熵合金纳米颗粒（NPs）的可控合成。温度作为核心变量，直接主导着纳米颗粒的成分、形貌及晶体结构演化（图1b）。  在1300°C的低温区间（图2a-c），元素熔点的显著差异（Cr为1857°C，Mn为1244°C）与碳纳米管（CNT）束介导的成核动力学共同作用，引发热力学相分离：形成单质Cr相（呈不规则形貌）、二元MnCr相（多面体结构）与三元FeCoNi相（球形）三相共存（图3a-c）。EDS分析证实其元素分布比例为Fe:Co:Ni:Mn:Cr≈18:17:17:19:28 at.%，其中Cr因熔点较高优先成核并迁移至CNT表面（图2a），而FeCoNi相则通过范德华力吸附于CNT束的交联位点（图S3b）。  当温度升至1600°C时（图2d-f），亚稳态异质结构开始形成。尽管整体元素比例相（Fe:Co:Ni:Mn:Cr≈18:20:18:19:24 at.%），但Cr与FeCoNi的扩散竞争作用，促使Cr/FeCoNi核壳异质结生成（图3f-g）。这一现象源于Cr的高扩散系数（活化能低）与Fe-Co-Ni合金化倾向之间的动力学平衡（图S4d-f）。  在2000°C及以上的高温区间（图2g-l），吉布斯自由能最小化驱动全元素均质化，形成球形五元高熵合金纳米颗粒（图3h）。值得注意的是，Mn含量在2000°C以上时骤降至1.2 at.%（图3i），这归因于Mn的挥发性，表明需精确控制温度窗口以实现目标成分设计。

图2. 不同温度合成NPs的形貌演变(a-c) 1300°C产物：不规则Cr NPs、多面体MnCr NPs、球形FeCoNi NPs；(d-f) 1600°C产物：多面体MnCr NPs、球形FeCoNi NPs、Cr/FeCoNi异质结构NPs；(g-i) 2000°C形成的球形FeCoNiMnCr NPs；(j-l) >2000°C形成的低Mn球形FeCoNiMnCr NPs。


图3. NPs成分随温度的演化规律(a-c) 1300°C产物的元素组成：不规则NPs（Cr）、球形NPs（FeCoNi）、多面体NPs（MnCr）；(d-g) 1600°C产物的元素组成：球形NPs（FeCoNi）、异质结构NPs（Cr/FeCoNi）、多面体NPs（MnCr）；(h,i) 球形NPs成分：(h) 2000°C近等原子比FeCoNiMnCr，(i) >2000°C低Mn含量FeCoNiMnCr。

       晶体结构的表征结果显示，晶体有序度随温度升高呈降低趋势。在1300°C合成的产物中，Cr纳米颗粒为单晶结构（晶面间距0.166 nm，对应Cr(111)晶面，图4b），MnCr多面体则为有序晶体（晶面间距0.258 nm，对应MnCr(200)晶面，图4d）。  温度升至1600°C时，FeCoNi纳米颗粒转变为多晶结构（晶面间距0.209 nm，对应FeCoNi(111)晶面，图4f）；异质结构纳米颗粒中，Cr(220)与FeCoNi(111)晶格清晰共存（图4h），印证了部分合金化与扩散竞争的过程。  高温（≥2000°C）诱导显著的非晶化现象：纳米颗粒呈现纳米晶嵌入非晶基体的复合结构（图4j,l）。XRD结果进一步佐证了这一趋势（图5）：随着温度升高，FeCoNi(111)与MnCr(311)衍射峰强度逐渐衰减，证实晶体结构从长程有序向短程有序转变。这一现象源于FJH的超快淬火过程（秒级）——快速冻结亚稳态液相，抑制原子重排，为高熵合金的非平衡合成提供了新路径。

图4. NPs晶体结构的高分辨TEM表征(a,b) 1300°C单晶Cr NPs的晶格条纹（(111)面，0.166 nm）；(c,d) 1300°C单晶MnCr NPs的晶格条纹（(200)面，0.258 nm）；(e,f) 1600°C多晶FeCoNi NPs的晶格取向；(g,h) 1600°C Cr/FeCoNi异质结构的界面晶格（Cr(220)与FeCoNi(111)）；(i,j) 2000°C FeCoNiMnCr NPs的非晶/纳米晶复合结构；(k,l) >2000°C低Mn NPs的非晶化特征。

     多脉冲修饰策略的创新性体现在：脉冲次数可通过编程精准调控纳米颗粒（NPs）的表面结构。在1600°C下施加多次FJH脉冲（10–30次）时，MnCr多面体通过迭代熔融-合并机制逐步修饰FeCoNi纳米颗粒表面（图6a-c），形成类似“薯蓣”（Dioscorea elephantipes）的分级结构。  该策略具有强普适性：将Cu前驱体引入已合成的FeCoNiMnCr纳米颗粒体系中，可定向修饰形成Cu多面体（图6d-f）。这种原位异质结构工程为多界面催化剂（如核壳活性位点）和功能复合材料的设计提供了全新范式。

图6. 多脉冲FJH修饰NPs的表面形貌(a-c) 1600°C下10/20/30次脉冲修饰的FeCoNi@MnCr分级结构；(d-f) 多脉冲FJH在FeCoNiMnCr NPs表面定向修饰Cu多面体。

总结与展望

      本研究阐明了闪蒸焦耳加热（FJH）温度对FeCoNiMnCr高熵合金纳米颗粒（HEA NPs）成分均一性、形貌多样性及晶体结构的精准调控机制：温度梯度（1300–2000°C）驱动纳米颗粒经历从相分离到异质结构再到非晶化的定向演化，而多脉冲FJH技术进一步实现了异质界面的可编程构建。  这一发现不仅揭示了非平衡合成中热力学与动力学的竞争规律，更将FJH发展成为可定制化HEA纳米材料的通用平台。在催化领域，异质结构设计可有效优化活性位点暴露与电子传递；在功能材料领域，非晶/晶界复合结构有望显著提升机械与磁学性能。未来研究需进一步探索温度窗口与多元组分的普适性映射关系，并发展连续化FJH装置，以推动该技术的产业化应用。

原文信息：Temperature-Driven Compositional, Morphological, and Crystallographic Evolution of FeCoNiMnCr High-Entropy Alloy Nanoparticles via Flash Joule Heating. Hongyu Chen;Tianyu Zhao;Zehui Zhao;Xinyue Miao;Xu Gu;Yi Liu;Shang Gao;Yuxuan Wang;Yinjie Cai;Jingna Zhao;Chunlan Ma;Xiaohua Zhang;Jingyun Zou. ISSN: 2771-9545 , 2771-9545; DOI: 10.1021/acsaenm.5c00208. ACS applied engineering materials. , 2025


通讯作者简介

张骁骅，男，1979年1月出生，博士，纺织科技创新中心研究员，博士生导师。

1996至2007年就读于复旦大学物理系先后获学士、博士学位，入选复旦大学第六批人才工程队员；2007至2009年在意大利国际高等研究院从事博士后研究；2009至2019年在中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所先后从事博士后、副研究员、项目研究员等工作，2019年3月起任东华大学研究员。2015年入选中科院青年创新促进会会员，2018年入选江西省杰出青年。

主要研究方向：高性能纤维及复合材料、纳米组装结构材料、微/纳米力学分子动力学模拟

主要学术成果：迄今已在Nat. Mater., Nat. Commun., Adv. Mater, Adv. Funct. Mater., Phys. Rev. Lett., ACS Nano, ACS Appl. Mater. Interfaces, Compos. Sci. Technol., Carbon等学术期刊发表论文120余篇，合著专著1部，授权专利20项。主持国家自然科学基金、军委科技委、中科院、江苏省及江西省科技厅科技项目10余项，其中重点项目4项。

邹菁云，苏州科技大学物理科学与技术学院，副教授

2008.09-2012.06 南京理工大学，材料科学与工程，本科；

2012.09-2018.08 南京理工大学，材料科学与工程，硕博，导师：朱运田教授、李清文研究员；

2018.11-2021.03 清华大学，深圳国际研究生院，博士后，合作导师：成会明院士；

2021.11至今   苏州科技大学，物理科学与技术学院。

主要从事低维纳米材料的可控制备及器件应用研究工作。采用化学气相沉积技术可控生长碳纳米管、二维过渡金属硫族化合物及其异质结构，并基于此类低维材料构建高性能导线、晶体管及类神经突触等器件应用。以第一作者或通讯作者在ACS Nano、Applied Physics Letters、Composites Science and Technology、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表了多篇学术论文。  


超快高温焦耳热冲击技术介绍
       焦耳高温热冲击材料制备装置可实现毫秒级别升温和降温，能达到1秒内升温至3000K的效果，试验样品可以是薄膜、块体、粉末等。对比现在常用的马弗炉、管式炉升温慢、加热时间长等缺点，极大地节约了科研人员宝贵的科研时间，并且会有与马弗炉和管式炉不同的冲击效果。该装置可抽真空或者是通氛围气体使用，还可以根据要求进行定制。公司致力于实验室（超）高温解决方案。目前我公司设备已广泛应用于能源催化材料、石墨烯等二维材料、高熵化合物、陶瓷材料等材料的超快速高质量制备
马弗炉、管式炉升温装置VS焦耳热升温装置


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