什么是同步辐射R空间？
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同步辐射X射线技术（XAFS/XRD）为高熵合金研究提供了原子级解析手段，可精准表征元素价态、局域结构及相变行为，揭示其高熵效应、晶格畸变等独特性能机制，为合金设计与优化提供关键科学依据，推动多主元材料发展。
高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）通常是指由五种或更多主元素以接近等原子比（一般在5% – 35%原子分数）组成的合金。
这种合金的设计理念与传统合金有显著区别，传统合金通常以一种或少数几种元素为主，添加少量其他元素进行改性，而高熵合金强调多种主要元素的协同作用。
高熵合金的概念最早由美国学者Yeh等人在2004年提出，他们认为当合金中包含五种或更多主要元素，且每种元素的含量接近时，合金的构型熵会显著增加，从而可能产生一些独特的性能和微观结构。
深入理解高熵合金的微观结构与性能之间的关系，对于进一步优化其性能和拓展应用领域至关重要。同步辐射X射线技术，尤其是X射线吸收光谱（XAFS）和X射线衍射（XRD），为高熵合金的微观结构研究提供了有力支持。
高熵效应：由于多种主要元素的存在，合金的构型熵显著增加。高熵效应可以抑制合金在冷却过程中析出第二相，使合金更倾向于形成固溶体结构，从而提高合金的热稳定性和力学性能。
迟滞扩散效应：多种元素的存在使得原子扩散速度减慢，这种迟滞扩散效应有助于提高合金的高温强度和抗蠕变性能。
鸡尾酒效应：多种元素的协同作用会产生一些意想不到的性能，如优异的耐腐蚀性、抗氧化性、耐磨性等。这种效应类似于鸡尾酒中不同成分的混合会产生独特的风味，因此被称为“鸡尾酒效应”。
晶格畸变效应：多种元素的原子尺寸不同，会引入晶格畸变，这种畸变可以提高合金的强度和硬度。
高熵合金中多种元素的协同作用导致复杂的化学环境，准确确定各元素的价态和配位环境对于理解合金的化学稳定性和反应性至关重要。例如，在研究FeCoCrNiMn高熵合金时，XANES技术被用于分析Fe、Co、Cr、Ni和Mn等元素的价态变化。
通过比较不同合金状态下的XANES谱图，研究人员发现合金化过程中元素价态的微小变化，这些变化与合金的抗氧化性和耐腐蚀性密切相关。
研究人员通过同步辐射XAFS技术用于研究高熵合金中元素的局域结构和化学状态。
XANES结果显示，随着循环次数的增加，LRO中的Mn平均价态逐渐降低，而HELRO中的Mn价态变化较小。这表明HELRO在循环过程中具有更高的结构稳定性，减少了Mn的还原和氧空位的形成。
EXAFS分析进一步揭示了Mn-O和Mn-M配位数的变化，表明HELRO在循环过程中形成了较少的氧空位，并且Mn的迁移受到抑制。
这些结果表明，高熵设计通过增强Mn-O键的离子性和共价性，提高了结构的稳定性，从而抑制了TM的迁移和结构退化。这种“迁移迟滞效应”有助于提高电池的电压保持能力和循环稳定性。
DOI：10.1002/adma.202505189
EXAFS技术能够提供高熵合金中局域结构的详细信息，包括原子间的距离、配位数和无序度等。在研究高熵合金的固溶强化机制时，EXAFS被用于分析不同元素原子在合金基体中的分布和相互作用。
例如，在CoCrFeNi高熵合金中，通过EXAFS测量发现，Cr原子倾向于与Ni原子形成较短的键长，这种局域结构的差异导致了合金的高强度和良好的塑性匹配。
利用同步辐射XAFS对HEA@Ir-MEO中Ir物种的化学状态和配位环境进行进一步的研究。
图b利用Ir L3边白线峰量化了HEA@Ir-MEO的价态，为+2.47价，与前文XPS结果相符。随后对EXAFS进行拟合，从小波变换图中可以看出HEA@Ir-MEO中同时含有Ir-O和Ir-Ir键。
其中Ir-O键主要在表层富Ir中熵氧化物壳层中，推测过渡金属在其中的存在形式可能是一种掺杂进入IrOx晶格的形式，晶格畸变和缓慢扩散效应严重阻碍了过渡金属在酸性条件下的溶解，提供了良好的结构稳定性。并且基于前文的结构表征，确定了如图g所示的理论计算模型 。
DOI：10.1002/adma.202314049
同步辐射XRD技术能够提供高精度的晶体结构信息，适用于高熵合金的相鉴定和结构分析。例如，在研究FeCoCrNiMn（Cantor合金）时，通过XRD分析，研究人员能够精确地确定合金的晶体结构和相组成。
此外，XRD还可以用于研究高熵合金在不同制备条件下的结构变化，例如通过粉末冶金、铸造和热处理等方法制备的合金。
同步辐射XRD技术用于研究高熵合金的晶体结构和相组成。在本文中，研究人员通过XRD分析了高熵合金Li1.17Mn0.50Ni0.12Co0.12Mg0.03Cu0.02Ti0.02Nb0.02O2（HELRO）的晶体结构。结果显示，HELRO具有α-NaFeO2型六方结构，空间群为R-3m。
XRD图谱中的超晶格峰表明了Li2MnO3相中的蜂窝状有序结构。通过Rietveld精修，研究人员确定了材料的晶格参数和原子占据率。
此外，XRD数据还揭示了HELRO在长循环过程中的结构稳定性，表明高熵设计显著抑制了过渡金属（TM）的迁移，从而维持了超晶格结构的完整性。这种结构稳定性有助于提高电池的循环寿命和电压保持能力。
DOI：10.1002/adma.202505189
同步辐射XRD技术可以实时监测高熵合金在变形过程中的应力和应变分布。例如，在研究CoCrFeMnNi高熵合金的拉伸行为时，通过原位XRD实验，研究人员能够观察到不同晶面上的应力变化。
这些数据有助于理解合金的变形机制和微观结构演变。此外，通过分析XRD数据中的峰位移和半高宽变化，可以计算出合金的微观应力和应变分布。
通过原位同步辐射XRD分析，深入揭示了部分再结晶亚稳态Fe57.5Co18Cr13Ni7.5Mo3C1（原子百分比）FeMEA的复杂变形行为。
研究发现，ReX和non-ReX FCC域之间存在显著的应力分区，non-ReX FCC承受更高的载荷，表现为硬域。
DIMT在塑性变形的早期阶段就开始发生，ReX和non-ReX FCC展现出相似的DIMT动力学，这主要归因于沉淀驱动的亚稳态变化和高密度的晶界作为DIMT的形核位点。
DOI：10.1016/j.actamat.2025.120757
同步辐射XRD技术能够实时监测高熵合金在不同加工条件下的微观结构演变。例如，在研究FeCoCrNiMo0.2高熵合金的变形机制时，通过原位XRD实验，研究人员发现合金在低温下主要通过位错滑移和孪晶变形。
此外，通过分析XRD数据中的晶面间距变化，可以推断出合金在变形过程中的相变行为。
DOI: 10.1016/j.jmst.2025.03.027
（一）优势
亮度与高能量分辨率：同步辐射X射线具有极高的亮度和能量分辨率，能够提供高质量的衍射信号，适用于高熵合金这种复杂的多元素体系。
原位实验能力：同步辐射X射线技术能够进行原位实验，实时监测高熵合金在不同外部条件下的结构变化。这对于研究合金的动态行为和相变机制具有重要意义。
技术联用：同步辐射X射线技术可以与其他表征技术（如透射电子显微镜、X射线吸收光谱等）联用，实现对高熵合金微观结构的多维度表征。
（二）局限性
样品要求高：同步辐射X射线实验对样品的质量和均匀性要求较高，需要制备高质量的薄膜或粉末样品。这对于一些难以加工的高熵合金来说可能存在一定困难。
数据解析复杂：同步辐射X射线数据的解析需要复杂的理论计算和模型拟合，对研究人员的专业知识和经验要求较高。
随着同步辐射技术的不断发展和实验方法的改进，同步辐射X射线技术在高熵合金研究中的应用将更加广泛和深入。未来的研究方向可能包括：
技术联用：将同步辐射X射线技术与其他先进的表征技术（如原子探针断层扫描、扫描透射电子显微镜等）联用，实现对高熵合金微观结构的多维度表征。
原位实验拓展：进一步拓展同步辐射X射线的原位实验能力，开发更多适用于高熵合金研究的原位实验装置。例如，设计能够在更高温度、更大压力和更复杂化学环境中进行X射线测量的装置，以模拟高熵合金的实际使用条件。
理论计算结合：加强同步辐射X射线实验与第一性原理计算等理论方法的结合，通过理论计算辅助实验数据的解析。这将有助于更准确地理解高熵合金的电子结构和局域结构，为合金的设计和优化提供理论支持。
同步辐射X射线技术，包括XAFS和XRD，为高熵合金的微观结构研究提供了强大的工具。通过这些技术，研究人员能够深入分析元素价态、局域结构、相变和应力分布等关键信息。
这些研究不仅有助于理解高熵合金的性能与结构之间的关系，还能为优化合金性能和拓展其应用领域提供科学依据。
尽管同步辐射X射线技术在样品制备和数据解析方面存在一定的挑战，但随着技术的不断进步和研究方法的创新，其在高熵合金研究中的应用前景将更加广阔。