高強度合金纖維/絲材被廣泛應用于工業(yè)領域，如橋梁纜索和起重機繩索等方面，對民生和國家安全至關重要。常用的傳統(tǒng)高強度合金線材多為不銹鋼線材、碳鋼線材、銅合金線材和珠光體鋼絲等。然而，隨著工業(yè)發(fā)展，絲材的使用環(huán)境變得更加苛刻，對高強韌合金絲材的力學性能提出了更高的要求，尤其是強度和塑性方面。例如，隨著橋梁跨度的增大，對橋梁纜索的強韌性提出了更高的要求，需要同時提升絲材強度、減輕其自身重量并降低工程整體成本。在航母阻攔索中需要高強韌合金絲材可以保障艦載機安全返航，對國民經濟建設、軍工和國防等領域有著重要意義。此外，還在焊接和3D打印領域有著應用前景。嚴苛的服役環(huán)境對傳統(tǒng)線材產生極大考驗，迫切需要開發(fā)新型高強韌合金材料。

高熵合金纖維是高熵合金領域的一項新興研究課題，具有獨特的潛能[1−9]。本文通過其微觀結構，包括晶體學特征、晶界結構和微觀組織闡釋，分析高熵合金纖維的力學特性，如抗拉強度、韌性和硬度，并與三維塊體高熵合金進行對比。最后，探討這些纖維在柔性材料領域的應用前景，如在可穿戴技術和醫(yī)療器械領域和阻攔索等工程領域的潛在應用，以及它們在新型材料設計中的潛力。

1.   高熵合金纖維簡介

當今材料技術整體發(fā)展態(tài)勢為：材料制備與應用向低維化、微納化發(fā)展，材料研發(fā)向更加惠及民生的方向發(fā)展，并在資源和能源的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。宏觀上的低維化通常是指從體材料向薄板材料和纖維材料的發(fā)展。隨著電子設備的發(fā)展，柔性電子設備越來越受到大家的重視，這種設備是指在一定范圍的形變（彎曲、折疊、扭轉、壓縮或拉伸）條件下仍可工作的電子設備。很多廠商目前都已經開始研發(fā)和推出相關的產品，比如彎曲顯示器與觸屏、射頻識別標簽、可穿戴傳感器、可植入醫(yī)療器械、手環(huán)、手表甚至是手機等等。柔性、可彎曲化將是未來電子設備的發(fā)展潮流，也是科技領域中未來若干年內的重要增長點。

目前對高熵合金纖維材料的研究相對較少，與傳統(tǒng)的塊體材料相比[10−18]，高熵合金纖維主要集中于加工塑性良好的單相面心立方（FCC）高熵合金、共晶高熵合金和中熵合金。制備方法主要包括旋鍛拉拔法和玻璃包覆法。如圖1，研究學者對高熵合金纖維的微觀組織進行系統(tǒng)表征，探討拉伸過程中的應變速率和拉伸溫度的影響，相比于塊體材料，高熵合金纖維的抗拉強度大幅提升，其強化機制比較復雜，包括析出強化、細晶強化、位錯強化、織構強化等多重強化作用，但會犧牲材料的塑性，因此可通過后續(xù)熱處理等方法在強度和塑性之間取得良好平衡。此外，研究表明，在低溫環(huán)境下，高熵合金纖維表現(xiàn)出潛在的應用價值，具有良好的力學性能。

2.   高熵合金纖維的制備方法

目前，對于高熵合金三維塊體的研究主要集中于真空電弧熔煉制備的鑄態(tài)小樣品方面。然而為了進一步拓展高熵合金工業(yè)化應用的前景，同時改善高熵合金的力學性能，對鑄態(tài)高熵合金樣品進行適當?shù)募庸ぷ冃我约盁崽幚肀夭豢缮?，熱加工過程不僅可以減少鑄造產生的缺陷，如縮松、縮孔、偏析等，也可以對合金的微觀組織結構與各種性能方面進行適當調控。

為了進一步提升鑄態(tài)合金的力學性能，塑性加工必不可少，合金的塑性加工工藝主要包括軋制、鍛造、擠壓以及高壓扭轉等方式。目前，已有部分高熵合金的制備過程應用了軋制和鍛造這兩種工藝，鍛造可使合金的組織更加均勻，細化晶粒，冷軋變形能夠非常有效地提高合金的硬度，甚至改變合金的相組成。對于高熵合金絲材的制備方法目前主要由以下三種：旋鍛拉拔法、低溫軋制法和玻璃包覆法。

2.1   旋鍛拉拔法

Li等[19]首先采用熱拉拔方法制備了高性能的高熵合金纖維材料。在旋鍛熱拉拔工藝制備高熵合金絲材的過程中，首先使用無心磨床對高熵合金進行精密磨削，目的是去除可能存在的表面氧化皮等缺陷，以避免后續(xù)塑性加工中由于表面缺陷引起的應力集中，確保最終絲材的質量。隨后進行高溫熱旋鍛處理，這一步驟一方面降低合金棒材的直徑，以滿足后續(xù)熱拉拔工藝對樣品尺寸的要求；另一方面，通過引入三向壓應力的旋鍛加工，進一步優(yōu)化合金內部組織結構，實現(xiàn)晶粒細化，并顯著提升材料的加工性能和力學特性。最后，使用臥式拉拔機進行熱拉拔，并采用石墨乳作為潤滑劑，以確保拉拔過程中樣品表面不受氧化影響。圖2展示了熱拉拔后的高熵合金絲材實物，顯示了其連續(xù)均勻的宏觀形貌和良好的拉拔工藝效果。

2.2   低溫軋制法

低溫軋制法是一種用于制備高熵合金絲材的工藝方法，首先從高熵合金鑄錠上切取較大直徑的棒狀樣品。在液氮溫度下（約77 K或更低），棒狀樣品經歷一系列軋制和擠壓，使用特殊設計的量規(guī)或模具，逐漸減小樣品的直徑并改變截面形狀。最終制備出具有所需直徑和截面形狀的高熵合金絲材。Kwon等[20]將高熵合金鑄錠加工成直徑為12.5 mm的棒狀樣品。在77 K下采用逐漸變小的圓形孔，將棒材的直徑從12.5減小到7.5 mm，總面積減少了64%。為了保持軋制過程中的低溫，每次軋制前樣品都被浸入液氮中。這種制備方法的特點在于能夠在低溫環(huán)境下進行，從而有可能改變材料的微觀結構和性質，使得最終的高熵合金絲材具有特定的力學性能和應用特性。

2.3   玻璃包覆法

Chen等[21]采用玻璃包覆拉絲(Taylor–Ulitovsky)方法成功制備了直徑為40和100 μm的CoCrNi中熵合金微絲。這些微絲表現(xiàn)出優(yōu)異的強度和延展性，并且在拉伸行為中呈現(xiàn)出異常的尺寸效應。初始的等摩爾CoCrNi合金鑄錠是通過真空電弧熔煉制備（元素質量分數(shù)不小于99.9%），隨后進行了4次重熔以確保成分均勻性。從鑄錠上切割直徑為4.5 mm、長度為10 mm的樣品，利用Taylor–Ulitovsky設備制備長度為200 mm的合金微絲，通過稀氫氟酸的腐蝕方法去除微絲表面玻璃殼。

3.   高熵合金纖維的組織結構及力學性能

材料一般可以分為剛性材料和柔性材料，對于高熵合金而言，通常認為三維塊體高熵合金為剛性材料，而具有一定柔韌性并且可卷曲或彎折的纖維或薄帶為柔性材料。高熵合金的研究主要集中于三維塊體材料方面，但隨著微納米技術的迅速發(fā)展，各種微電子機械系統(tǒng)、微納米器件相繼出現(xiàn)并得到廣泛應用，這些微器件將大量釆用幾何尺寸在微米或亞微米量級的金屬絲、金屬薄膜等微尺度材料。此時，材料塑性變形載體如位錯線、孿晶缺陷等的特征尺度和作用空間與其外部幾何尺寸或微觀結構尺寸處于相似量級。由于這兩種尺度對變形的約束作用以及表界面的影響，導致微尺度金屬材料表現(xiàn)出與宏觀尺度材料不同的塑性變形行為，如尺度效應、反常效應等。這些反常塑性行為對于微尺度材料的開發(fā)和應用至關重要，因而受到了人們的普遍關注。

3.1   Al0.3CoCrFeNi高熵合金纖維

圖3為經過熱旋鍛與熱拉拔制備的直徑為3.15和1.00 mm的Al0.3CoCrFeNi高熵合金纖維縱截面背散射電子衍射（EBSD）圖，相結構主要為簡單的面心立方（FCC）結構。纖維內的晶粒沿拉拔方向伸長，具有明顯的方向性，反極圖顯示形變織構主要為<111>和<100>絲織構，且具有部分再結晶晶粒。圖4對比了不同F(xiàn)CC、體心立方（BCC）和密排六方（HCP）結構的高熵合金，在溫度為77 K的條件下，Al0.3CoCrFeNi高熵合金纖維的抗拉強度為1600 MPa，延伸率可達17.5%。具有FCC結構的Al0.3CoCrFeNi高熵合金纖維，其抗拉強度明顯高于大多數(shù)FCC結構高熵合金，同時塑性優(yōu)于BCC高熵合金，強塑性處于高熵合金相對空白的領域，因此，鍛造和旋拔相結合的熱加工工藝可有效提高高熵合金力學性能，且其隨溫度降低強韌性反而提高的特點使其適用于極端低溫環(huán)境，有望進一步拓展高熵合金應用領域。