Dzięki swoim właściwościom, stopy o wysokiej entropii (HEA) cieszą się dużym zainteresowaniem naukowców. Grupa badaczy z Laboratorium Plazmowej Inżynierii Powierzchni NCBJ testuje wykorzystanie tego typu materiału w postaci cienkich powłok. Artykuł na ten temat ukazał się właśnie w czasopiśmie Metallurgical and Materials Transactions A.

Stopy o wysokiej entropii (high-entropy alloys, HEA) to grupa materiałów, które wyróżniają się wyjątkowymi właściwościami fizycznymi, chemicznymi i mechanicznymi, niemożliwymi do osiągnięcia w konwencjonalnych stopach metali. W zależności od użytych metali, stopy HEA mogą wykazywać bardzo wysoką twardość, odporność na zużycie i korozję. Z tego powodu są one przedmiotem badań wielu grup naukowców. Jedną z możliwości użycia tego typu materiałów jest tworzenie cienkich warstw nanoszonych na podłoża wykonane z innych substancji. W inżynierii materiałowej znanych jest wiele technik, które pozwalają na uzyskanie takich powłok, m. in. galwanostegia (nanoszenie elektrochemiczne), pulsacyjne nanoszenie laserowe, czy laserowe stapianie powierzchniowe. Inną metodą tworzenia cienkich powłok jest pulsacyjne rozpylanie magnetronowe (pulse magnetron sputtering, PMS), w którym warstwa jest nanoszona w postaci pary podczas krótkich impulsów elektrycznych. Tą właśnie metodę wykorzystali badacze z Laboratorium Plazmowej Inżynierii Powierzchni Zakładu Technologii Plazmowych i Jonowych NCBJ, którzy specjalizują się między innymi w syntezie stopów o wysokiej entropii i innych zaawansowanych materiałów, jak półprzewodniki azotkowe i tlenkowe.

W ramach najnowszych prac, zespół naukowców sprawdzał wpływ modulacji częstotliwości procesu PMS na jednorodność i właściwości stopów zawierających tytan, chrom, żelazo, kobalt i nikiel (TiCrFeCoCr). „Częstotliwość oraz czas życia generacji impulsów plazmy podczas procesu PMS jest kluczowym parametrem syntezy” – opisuje mgr inż. Grzegorz Strzelecki, pierwszy autor publikacji. „Badanie wykazało, że odpowiednie częstotliwości modulacji umożliwiają wytwarzanie wyjątkowo jednorodnych warstw o pożądanych właściwościach mechanicznych i strukturalnych, co otwiera nowe możliwości w zakresie precyzyjnej inżynierii materiałów.” Na podstawie analiz zarówno powierzchni, jak i przekrojów uzyskanych warstw, badacze mogli określić zakres częstotliwości modulacji, który pozwala na jednoczesne uzyskanie bardzo złożonej powierzchni, bez utraty jednorodności powłoki.

Zupełnie nowatorskim elementem badań było zastosowanie w analizie entropii Shannona, która jest koncepcją wykorzystywaną w teorii informacji. W tej dziedzinie, entropia jest miarą średniej ilości informacji przypadającej na pojedynczą wiadomość ze źródła informacji i może być interpretowana jako niepewność wystąpienia danego zdarzenia. „W przypadku badań materiałowych, zastosowanie entropii Shannona pozwala zmierzyć stopień losowości i złożoności struktury materiału” – wyjaśnia autor artykułu. „Ta innowacyjna metoda umożliwia przewidzenie skuteczności procesu syntezy i optymalizację właściwości uzyskanych materiałów” Wykorzystanie tej wielkości jest szczególnie zasadne w przypadku stopów HEA, biorąc pod uwagę ich złożoność i możliwość występowania zróżnicowanych mikrostruktur, w zależności od warunków podczas ich syntezy.

Prace specjalistów z Laboratorium Plazmowej Inżynierii Powierzchni nie tylko przyczyniają się do lepszego zrozumienia stopów o wysokiej entropii, ale również otwierają nowe ścieżki badań, takich jak wykorzystanie entropii Shannona do charakteryzowania materiałów. Tego typu badania mogą utorować drogę do rozwoju wytrzymałych powłok i warstw idealnych do zastosowania w wymagających branżach, takich jak lotnictwo, urządzenia medyczne czy nowoczesne technologie odporne na ścieranie. „Praca podkreśla wkład Laboratorium w rozwój nauki o materiałach – inżynierii powierzchni, oferując nowatorskie podejścia do syntezy i charakterystyki wysokoentropyjnych stopów, z dużym potencjałem dla przemysłu wymagającego zaawansowanych rozwiązań materiałowych” – podsumowuje Grzegorz Strzelecki.

Pełne wyniki badań są dostępne w publikacji:

Strzelecki, G.W., Nowakowska-Langier, K., Namyślak, K. et al. Shannon Entropy Characterization of High-Entropy Thin Films Synthesized by Pulsed Magnetron Sputtering: The Influence of Modulation Frequency. Metall Mater Trans A (2024). https://doi.org/10.1007/s11661-024-07643-x