浅谈高熵合金
高熵合金定义
高熵合金定义
高熵合金是一种新型金属材料，其主要特点是由五个或更多的具有相
同或相似原子结构的元素组成，而这些元素的比例通常是接近平均的。
高熵合金的熵值很高，因为有很多不同类型的原子，这使得它们具有
一些非常有用的特性。
例如，在高熵合金中，组成材料的原子会形成
原子簇，这些簇会导致材料的热力学性质发生变化，从而使得高熵合
金具有极高的强度和硬度。
高熵合金可以应用于许多不同的领域，包括制造航空航天部件、汽车
零件、工具和医疗设备等。
它们通常非常耐腐蚀，并且能够承受极端
的温度和压力。
高熵合金的研究还是一个相对新兴的领域。
虽然在过去几十年中，科
学家已经研究了许多经典的合金类型，但是高熵合金在科学家和工程
师的注意下才开始得到深入研究。
近年来，高熵合金的应用和研究越来越受到人们的关注。
许多科学家
和工程师已经开始使用并开发高熵合金，以探索其在各种领域中的可
能应用。
虽然高熵合金的制造和处理过程可能比传统金属材料更加复杂，但这些材料的物理性能使其成为未来材料研究的一个非常有前途
的方向。
总之，高熵合金是一种新兴的、有前途的材料类型，它利用多种元素的组合来创建新的、有更好物理性能的材料。
随着先进材料技术和制造技术的不断发展，高熵合金的可能应用领域将更加广泛，并为我们解决各种工程和材料学上的难题提供有力帮助。
高熵合金的高熵效应
高熵合金的高熵效应
高熵合金的高熵效应主要体现在以下几个方面：
热力学上的高熵效应：高熵合金由于含有多种元素，使得系统混合熵值增加，进而降低吉布斯自由能，使得合金更加稳定。
这种效应在高温状态下尤为明显，有助于合金在极端环境下保持优良的机械性能，如高强度、高硬度以及优良的疲劳和断裂韧性。
结构上的晶格畸变效应：高熵合金中各个组元之间原子尺寸以及剪切模量的差异性，使得原子在相互扩散中会造成晶格扭曲。
这种晶格畸变效应会对材料的性能产生重要影响，包括光电学、力学和热学等。
动力学上的迟滞扩散效应：高熵合金由于组元数目增加，使得协同扩散完成各相平衡分离更加困难。
在发生相互扩散的过程中，严重的晶格畸变会阻碍原子的运动，使得扩散和相变速率都小于传统合金。
这种效应有助于生成纳米晶以及非晶态，从而提高合金的性能。
性能上的“鸡尾酒”效应：高熵合金中各个元素之间互相作用，共同影响其整体性能。
例如，加入较多的轻元素可以降低合金密度，加入较多抗氧化元素可以提高合金的抗氧化性，加入较多高熔点元素可以提高合金的耐高温性能。
总之，高熵合金的高熵效应是其优异性能的重要来源之一，通过调整合金成分和制备工艺，可以进一步优化其性能和应用领域。
什么是高熵合金？简述其主要应用领域及应用机理。
什么是高熵合金简述其主要应用领域及应用机理。
高熵合金是一种新型合金材料，其特点在于具有较高的熵值，即在合金中各元素以相近的原子百分比存在，从而产生较高的熵值效应。
这使得高熵合金具有优良的力学性能、抗腐蚀性能、耐磨性能和高温稳定性等。
主要应用领域：
1.航空航天领域：高熵合金具有出色的高温性能和轻量化特点，适用于航空发动机和航天
器的制造。
2.汽车领域：由于高熵合金具有高强度、高耐磨性和良好的耐腐蚀性，可用于制造汽车关
键零部件，如刹车系统、发动机部件和传动系统等。
3.能源领域：高熵合金可用于制造核反应堆的结构材料和高温气冷堆的涂层材料，以提高
材料的耐腐蚀性和热稳定性。
4.医疗器械领域：由于高熵合金具有优良的生物相容性和耐腐蚀性，可用于制造医疗器械，
如牙科植入物、手术刀具等。
应用机理：
1.固溶强化：高熵合金中多种元素的混合可以形成大量的固溶原子，这些原子在晶格中产
生强烈的畸变作用，从而提高材料的强度和硬度。
2.相变强化：高熵合金通常具有多相结构，各相之间的相互作用可以产生相变强化效果，
提高材料的韧性和抗疲劳性能。
3.晶格畸变效应：由于高熵合金中各元素以相近的原子百分比存在，产生的晶格畸变效应
可以显著提高材料的硬度和抗腐蚀性能。
4.析出强化：高熵合金中可以形成细小的析出相，这些析出相可以阻碍位错的运动，从而
提高材料的强度和耐磨性。
高熵合金 高温合金
高熵合金高温合金
高熵合金和高温合金都是在材料科学领域中具有重要意义的材料类型。
首先，让我们来谈谈高熵合金。
高熵合金是一种由五种或更多种元素组成的均匀混合物，相比于传统的合金，它们具有更高的熵（entropy），因此得名。
高熵合金通常具有优异的力学性能、耐腐蚀性能和高温稳定性，这使得它们在航空航天、能源、汽车和其他领域中备受关注。
高熵合金的独特性质源自于其原子结构的复杂性，这种复杂性使得高熵合金具有优异的力学性能和耐热性。
此外，高熵合金还表现出良好的抗氧化和耐腐蚀性能，这使得它们在高温和腐蚀性环境中具有广泛的应用前景。
高熵合金的研究和开发仍处于不断探索的阶段，科学家们正努力寻找新的成分和加工方法，以进一步拓展其应用范围。
接下来，让我们转向高温合金。
高温合金是一类能够在高温环境下保持良好力学性能和抗氧化性能的合金材料。
这些合金通常用于制造航空发动机、燃气轮机、化工设备和其他需要在高温条件下工作的设备。
高温合金通常具有高的熔点、优异的抗氧化性能和良好的高温强度，这使得它们能够在极端的工作条件下发挥作用。
高温合金的独特性能源自于其合金元素的选择和合金化设计。
通常情况下，高温合金会包含镍、铬、钼、钽等元素，这些元素能
够在高温下形成稳定的氧化物保护层，从而提供良好的抗氧化性能。
此外，高温合金的微观结构和热处理工艺也对其性能起着重要作用。
总的来说，高熵合金和高温合金都是材料科学领域中备受关注
的材料类型，它们在航空航天、能源、化工等领域具有重要的应用
价值。
随着材料科学和工程技术的不断进步，相信这两类材料将会
在未来发挥越来越重要的作用。
高熵合金资料
高熵合金的晶体结构与共性
高熵合金的晶体结构
• 通常为简单的晶体结构，如面心立方、体心立方等 • 与传统合金的晶体结构不同，具有独特的电子结构
高熵合金的共性
• 具有高的硬度、强度和耐磨性 • 具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性 • 具有优异的导热性能
02
高熵合金的性能特点与优势
高熵合金的力学性能与强化机制
制备工艺
• 快速凝固法：提高合金的凝固速度，形成细晶组织 • 激光熔覆法：实现合金的局部熔化，提高涂层质量 • 真空熔炼法：提高合金的纯净度，减少杂质含量
优化
• 优化合金的成分设计，提高性能 • 优化制备工艺，提高合金的组织和性能 • 优化热处理工艺，提高合金的力学性能和耐腐蚀性能
高熵合金的室温脆性与断裂韧性研究
创新
• 开发新型的高熵合金材料 • 研究高熵合金的新型制备工艺 • 探索高熵合金的新型应用领域
高熵合金的性能优化与调控
性能优化
• 优化高熵合金的成分设计，提高性能 • 优化高熵合金的制备工艺，提高组织性能 • 优化高熵合金的热处理工艺，提高力学性能和耐腐蚀性能
调控
• 研究高熵合金的晶体结构调控，提高性能 • 研究高熵合金的相结构调控，提高性能 • 研究高熵合金的缺陷调控，提高断裂韧性和抗疲劳性能
典型实例
• Inconel 718高熵合金：用于制造航空发动机涡轮盘 • Rene 95高熵合金：用于制造航天器轴承
高熵合金在能源领域的应用
能源领域的应用
• 制造核电站燃料棒、核反应堆结构件等部件 • 制造太阳能电池板、热交换器等部件 • 制造火力发电厂锅炉管道、汽轮机叶片等部件
典型实例
• Hastelloy X高熵合金：用于制造核电站燃料棒 • Pyromet高熵合金：用于制造太阳能电池板
热导率 高熵合金
热导率高熵合金
高熵合金（High-entropy alloys）是一种多元素合金，通常由五种或更多种等原子百分比的元素组成。
这些元素在合金中以接近等原子比例存在，使得合金具有高熵效应、迟缓扩散效应、晶格畸变效应和“鸡尾酒”效应等独特性能。
高熵合金在很多领域表现出优异的性能，如较低的热膨胀系数、较低的热导率、较高的弹性模量、较高的介电常数等。
热导率（Thermal conductivity）是描述物质传递热能的能力的物理量。
一般来说，合金化过程会导致热导率的降低。
然而，在高熵合金中，由于其独特的结构和性能，热导率的表现并非如此简单。
在某些条件下，高熵合金可以具有相对较高的热导率。
例如，二维GaN合金在一定比例下可以具有较高的热导率。
这种现象打破了传统的认识，对合金热导率的研究做出了扩展和延伸。
研究发现，GaN（x=25%、50%）合金的热导率介于两种母本材料之间。
此外，高熵硅酸盐陶瓷也是一种具有低热导率和高热稳定性的材料。
这类材料通常由稀土元素和硅酸盐结构组成，稀土元素的4f轨道电子具有特殊的填充状态。
当电子在不同能级之间发生跃迁时，稀土硅酸盐表现出许多独特的物理化学性质，使其在光学、磁学、电学领域得到广泛的应用。
综上所述，高熵合金在热导率方面的表现因材料和组成比例的不同而异。
在一些特定条件下，高熵合金可以具有较高的热导率，这为合金热导率的研究提供了新的方向和启示。
高熵合金研究方法
高熵合金研究方法
高熵合金是一种新型合金，其研究方法主要有以下几种：
1. 实验研究：通过制备不同成分的高熵合金，进行各种性能测试，如力学性能、物理性能、化学性能等，以探究高熵合金的性能特点和应用潜力。
2. 计算模拟：利用计算机模拟技术，对高熵合金的原子排列、电子结构、力学性能等进行模拟计算，预测合金的性能并指导合金设计。
3. 相图计算：通过计算高熵合金的相图，了解各元素之间的相容性和相变规律，预测合金的稳定相和相组成，为合金设计提供理论依据。
4. 微观组织观察：利用显微镜等手段观察高熵合金的微观组织结构，了解合金的晶体结构、相组成、晶粒大小、析出相等，探究其组织与性能的关系。
5. 第一性原理计算：利用量子力学的基本原理，对高熵合金的电子结构和物理性质进行计算，预测合金的力学性能、热学性能等，为合金设计提供理论支持。
6. 数据库建设：建立高熵合金的数据库，收录各种高熵合金的成分、制备方法、性能数据等信息，方便研究者查询和比较各种高熵合金的性能。
7. 跨学科研究：将高熵合金的研究与其他领域相结合，如材料科学、物理学、化学等，以更全面地了解高熵合金的性能和应用潜力。
总之，高熵合金的研究方法多种多样，研究者可以根据具体的研究目标和实验条件选择合适的方法。
高熵合金概述
1.高熵合金简介 2.高熵合金的强化机制 3.高熵合金特性与应用 4.高熵合金薄膜的制作
一.高熵合金简介
2004年多主元高熵合金被提出，并着重强调其固有的高混合熵。 1.合金的熵值较高。 2.合金中含有5-13个主要元素（5％≤X≤35％即不分主次）。 3.合金体系（7099）的数量大于传统合金（30）。 4.四个主要特性包括：高熵效应（热力学），迟缓扩散效应 （动力学），晶格扭曲效应（晶体结构），鸡尾酒效应。
高混合熵增强了元素间的互溶性，并防止相分离成有序相或 金属间化合物。
△Smix = RIn n
△Gmix = △Hmix -T△Smix
高熵合金的高熵显着降低了自由能，从而降低了其在合金凝固 过程中（特别是在高温下）的有序和偏析倾向（溶解度↑），使得 固溶体更容易形成并且比金属间化合物或其他有序相更稳定。
迟缓扩散效应
高熵合金多主元的特点造成了迟缓扩散效应。
多元晶格高度扭曲，因为所有的原子都是溶质原子，并且 它们的原子尺寸都是彼此不同的。
FCC原始元素晶格
FCC 5元素HE合金
BCC 5元素HE合金
晶格扭曲效应
为什么高熵效应可以简化微观结构？ 它依赖于固体溶解度随温度的变化而产生杂质相的细小颗粒，这阻碍了位错的移动，并导致材料的硬化增加。
位错的移动，并导致材料的硬化增加。
④.HE合金中的析出强化 纳米晶体分散体将在铸态HE合金中提供有效的析出强化。
三.高熵合金特性与应用
①.出色的抗退火软化性 •表1显示在1000℃退火12h后的 硬度。
②.高温强度 •AlXCoCrCuFeNi（Fcc）具有在高 温下保持高强度的优点。 •AlCoCrFex合金在高温下具有比 高速钢更高的硬度。
高熵合金分类(一)
高熵合金分类(一)高熵合金分类及说明1. 什么是高熵合金？高熵合金是一种特殊的合金材料，与传统合金不同的是，高熵合金中主要由五种或更多种原子元素组成，且每种原子的摩尔比例相近。
这种特殊的原子组成方式使得高熵合金具有多种优异的物理、化学和力学性能。
2. 高熵合金分类基于成分分类•五元高熵合金：由五种不同元素组成的高熵合金，常见的组成元素包括Ni、Fe、Co、Cr、Mn等。
•多元高熵合金：由五种以上元素组成的高熵合金，可以包含其他稀有元素如Ti、Al、Cu等。
基于微结构分类•单相高熵合金：结构中只存在一种相的高熵合金。
•复相高熵合金：结构中存在两种或更多种不同相的高熵合金。
基于特性分类•高温高熵合金：能够保持良好力学性能的高熵合金，在高温环境下具有优异的耐热性能和稳定性。
•高强高熵合金：具有出色的强度和硬度的高熵合金，通常用于需要高强度材料的领域。
•耐腐蚀高熵合金：能够在恶劣腐蚀环境下保持良好性能的高熵合金，常用于化工、海洋等领域。
3. 高熵合金的应用领域•航空航天领域•能源领域•生物医学领域•电子器件领域•机械制造领域高熵合金因其出色的性能，被广泛应用于上述领域。
例如，在航空航天领域，高熵合金常用于航空发动机叶片和燃烧室等零部件，以提高疲劳寿命和耐腐蚀性能。
在生物医学领域，高熵合金被用于制造人工关节、牙科种植等医疗器械，具有良好的生物相容性和耐磨性。
在电子器件领域，高熵合金用于制造具有高温稳定性和低电阻率的导线材料等。
综上所述，高熵合金是一种具有多种分类的特殊合金材料，其广泛的应用前景使其成为当前材料科学研究的热点之一。
通过深入研究高熵合金的成分组成、微结构及特性，我们可以进一步发展创新的高熵合金材料，满足不同领域对新材料的需求。
高熵合金概述
高熵合金概述
高熵合金（High-entropy alloys，HEAs）是一类特殊的多元合金，与传统的合金相比，高熵合金具有在原子尺度上具有高度组织的特点。
它们由五个或更多不同元素构成，且每种元素的原子比例相对接近，这使得高熵合金具有非常复杂的原子结构。
高熵合金最早由材料科学家谢尔曼·斯林顿（Yeh J.W.）在
2004年提出，此后引起了广泛的研究兴趣。
由于其独特的组
成和结构，高熵合金表现出许多令人惊讶的特性。
例如，高熵合金具有较高的抗腐蚀性、较好的焊接性能、优异的机械性能和热稳定性。
它们还显示出良好的高温强韧性、较低的磨损率以及较好的低温韧性。
这些优异的性能使得高熵合金在航空航天、能源、汽车和电子等领域具有广泛的应用前景。
然而，高熵合金的设计和制备仍然面临许多挑战。
首先，选择合适的元素组合和比例非常重要，因为它们会直接影响高熵合金的性能。
其次，高熵合金的制备需要复杂的工艺流程，如高温熔炼、快速冷却和热处理等。
由于高熵合金的组成和结构的复杂性，对其性能和行为的理论解释也相对困难。
总的来说，高熵合金是一类具有特殊组成和结构的合金，具有许多令人惊讶的特性。
尽管还存在挑战，但高熵合金在材料科学领域引起了极大的关注，具有广泛的应用前景。
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文献综述
1.高熵合金发展及研究现状
随着现代经济，科技，军事的发展，人们对于材料的性能提出了更高的要求，传统合金已经不能满足社会的要求，而传统合金的合成理念是以一种或两种元素为主要元素．同时添加适量的其他元素来改善或增加合金性能，从而获得所需具有特殊性能的合金。
这种合成方式带来了问题，一，金属的结构变得越来越复杂，使我们难以分析和研究；二，过多添加其他元素，使组织中出现了脆性金属间化合物，使合金性能下降；三，限制了合金成分的自由度，从而限制了材料的特殊微观结构及性能的发展。
高熵合金的概念由台湾学者叶均蔚提出，高熵合金的概念为含有多种主要元素，其中每种主元均具有较高摩尔分数，但不超过35％，因此没有一种元素含量能占有50％以上，这种合金是由多种元素共同表现特色。
这个观点摆脱了传统合金以一种金属元素为主的观念。
高熵合金的主要元素种类n≥5且以≤13。
对于每一种多主元合金系统可设计成简单的等原子摩尔比合金，也可设计为非等原子摩尔比合金，以及添加次要元素来改良合金性能。
高熵合金易形成简单结构列如：面心立方、体心立方相。
并非形成复杂的金属间化合物。
这是由于多种主要元素形成固溶体合金的高混合熵加强了元素间的相溶性，从而避免发生相分离以及金属间化合物或复杂相的形成。
当然在某些合金体系中高熵效应并不能完全抑制金属间化合物的生成，但是这些金属间化合物数量少并且化合物一般具有简单的晶体结构，或者这些金属间化合物相包含很多其他元素而使得其有序度大为降低。
高熵合金具有良好的发展前景，Al Fe Cu Co Ni Cr、AI TI Fe NI Cu Cr、AI Co Cr Cu Fe Ni等系列的高熵合金系列都被广大的学者研究。
对于高熵合金，现阶段还可以高熵合金的微观组织结构，进行相分析及电化学性能、磁性能的测定，以建立合金元素选择理论、凝固结晶理论以及热处理理论等进行更进一步的研究。
目前，制备高熵合金的方法有用传统的熔铸、锻造、粉末冶金、喷涂法及镀膜法来制作块材、涂层或薄膜。
除了上述几种传统的制作加工方法外，高熵合金还可通过快速凝固、机械合金化获得，利用这两种方法获得的高熵合金，其组织更倾向于形成纳米晶体，甚至非晶体。
由于高熵合金的优异性能，随着研究的深入，我们可以研发出更多新型的金属材料，为社会发展创造价值，因此这是一个很有价值的研究，无论对于学术研究还是工业发展。
2.高熵合金的组织特点和性能特点
2.1组织特点
1）高熵合金易于形成结构简单的BCC或FCC固溶体。
由吉布斯自由能公式△G mix=△H mix-T △S mix，其中G mix为吉布斯自由能，H mix为混合焓，T 为热力学温度，S mix为混合熵。
通过公式得知，可看出，合金的自由能是混合焓与混合熵相互影响而得到的产物，混合熵与混合焓是对立的，形成简单结构的BCC或FCC固溶体需要的较低的自由能，由于高熵的原因，这使得合金的自由能变得较低，最终易形成简单固溶体。
2）当高熵合金在铸态或完全回火态时，高熵合金会以纳米结构或者非晶质结
构析出。
其原因是，合金熔炼时，合金中各元素的原子溶化后，各原子在液相中混乱排列，凝固过程中，由于各元素的扩散和元素再分配，使得其形核和长大变得困难，而这有利于完全回火态下的高熵合金析出纳米结构和非晶质结构。
3）合金自由能越低，合金系统越稳定。
我们知道自由能G、焓H、绝对温度T以及熵S的关系为G=H-T*S。
从由玻尔兹曼的熵和合金系统复杂度之间的关系假设可得知，熵值随着合金中所含元素数目提高而增加。
从吉布斯自由能公式可知：合金中的焓值会随熵值得增大而减小。
由此我们可以得知，当熵值得增加会使合金自由能增加，从而使合金稳定。
2.2性能特点
1）耐高温—高熵合金具有较高的混乱度，且其混乱度会随着温度的增加而增加。
我们知道自由度越低，合金越稳定。
由于在高温状态下，高熵合金依旧有着高的熵值，因此高熵合金在高温下依旧稳定，固溶强化依然存在，着就有了高熵合金在高温时依旧保持着较高的强度。
2）高硬度—高熵合金的结构一般是简单的面心立方结构(FCC)和体心立方结构(BCC)的固溶体。
合金组成元素之间的原子半径和晶体结构等方面有着不同，合金的固溶强化效应也使得合金中的位错运动也难以进行。
故此，高熵合金由着较高的硬度与强度；当高熵合金处于无位错存在的非晶态时，其强度将会变得更高。
3）耐蚀性—高熵合金在凝固时，有些元素如AL可使高熵合金形成致密的氧化膜，并且合金还具有微晶、非晶、单相及低自由焓等多种结构，所以高熵合金的耐腐蚀性能极好。
4）高熵合金还有高耐磨性、耐回火软化、高电阻率等其他优异的性能。
由于高熵合金的组织和性能特点，从研发至今已经被广泛的应用，如焊接材料、电子器械、化学仪器、船舶材料。
3.金相显微镜、扫描电镜、能谱分析、X射线衍射
3.1 金相—金相样品的制备：先将金相试样在100#砂布上进行粗磨，接着再用320#、600#、1000撑、1400抖、2000#的金相砂纸依次对其进行仔细研磨，然后在抛光机上用金刚石研磨膏对其进行机械抛光，将试样抛光到放在100倍的光学显微镜下观察，其表面无明显划痕为止。
最后再用王水(浓HN03：浓Hcl=1：3)对其表面进行腐蚀。
金相图的获取：将经过处理的金相试样分别放入光学显微镜和扫描电镜中，分别观察和摄取合金的微观金相组织。
3.2扫描电镜、能谱分析—通过电镜扫描实验，得到合金的微观组织形貌，然后对合金进行EDS分析，通过对合金不同相的点扫描，来获取合金组成元素在不同相中的原子百分比。
3.3X射线衍射—衍射试样的制备：采用线切割技术在纽扣形铸锭的正中间纵向切取几个标准
试样，尺寸均为5mm×5mmxlomm。
在进行衍射实验前，先将衍射试样表面用砂纸进行磨平。
其磨平规则是先在100#砂布上对衍射试样进行粗磨，接着再用400撑、600#、1000弹、2000#的耐水砂纸依次对其进行仔细研磨，然后再在抛光机上用金刚石研磨膏对其进行机械抛光至无明显划痕为止。
衍射图谱的获取：使用衍射仪对样品进行X．my衍射试验，采用波长为0．15418nm的Cm缸射线辐射和石墨单色器滤波，管电压：40KIv，管电流：200m扫描速度是(2tll删：5de咖in，扫描角度起始时是100，停止时是800，步长是O．02deg。
利用X衍射实验得到的合金衍射图谱对合金的晶格类型进行分析。
4.硬度实验、抗压缩性实验、抗腐蚀性实验
4.1硬度实验—用阱50型维氏硬度计对硬度试样的硬度值进行测试。
测试前每个试样的表面都经过了100#的砂布粗磨与400#、600#、100#水砂纸逐步研磨的过程，使其表面变得平整便与进行硬度测试。
其中加载载荷是30kg，保压时间是30s。
在每个试样的七个不同的部位分别测试其硬度值，去掉一个最大值和一个最小值，然后再取其平均值。
4.2抗压缩性实验—将尺寸为5mm×5mm ×10mm的标准试样放在电子万能试验机上进行压缩实验测试，其加载速率设为0．1mm／min。
每组合金都选用三个试样来进行压缩试验以得到合金的室温压缩性能，然后再用Origin软件画出合金试样的压缩应力一应变曲线图。
最后将试样的压缩断口放入扫描电镜中，对试样的压缩断口进行分析。
4.3抗腐蚀性实验—将每组合金中切好的标准试样分别放入1mol／L的Na C l溶液、0.5moI／L的H2s0溶液和1moI／L的Nacl+0.5mol／L的H2s04混合溶液中，在室温下分别浸蚀260和2000个小时，然后分别研究对比其腐蚀前后的失重情况，比较其抗腐蚀性能的大小。