突破合金材料極限!中研院研發「超彈性高熵合金」助攻高精密元件

作者 | 發布日期 2022 年 03 月 10 日 12:09 | 分類 尖端科技 , 材料 , 零組件 Telegram share ! follow us in feedly


中央研究院應用科學研究中心研究員包淳偉與跨國團隊合作,以理論模擬結合實驗結果,研發出超彈性高熵艾林瓦(Elinvar)合金,擁有目前所知最高標準化強度、極低的彈性能耗損,而成果近期更是登上國際知名學術期刊《自然》(Nature)。

包淳偉表示,研究團隊正持續進行更大尺度的分子模擬,能承受更大的外加應力、應變,不容易變形,希望能將這個研究成果應用在要求恆定彈性、需應付溫度急遽變化的高精密元件中,例如民生、生醫、能源、航太等產業。

傳統合金材料是由一種成分濃度最高的主體元素加入其他元素組成,例如鋼材是以鐵為主體元素,再摻雜碳及其他元素,而高熵合金(high entropy alloy)是由多種元素以相近濃度均勻混合,突破傳統材料瓶頸,具有強度提升,更加耐磨、耐溫及輕量化等優勢。

自從國立清華大學材料科學工程學系特聘教授葉均蔚自 2004 年提出高熵合金的概念以來,目前已有少部分的產業應用,如金屬切削加工使用的刀具等,並有許多研究人員在該基礎上持續深化,除高熵合金外,目前材料學界也積極研發其他高熵材料,如高熵陶瓷、高熵二維材料等,預期可應用在電池、產氫技術以及光電領域。

▲以電腦模擬超彈性高熵艾林瓦合金的晶體結構。(Source:中研院)

研究團隊結合電腦模擬與實驗,首次發現結合鈷、鎳、鉿、鈦、鋯這五種元素,原子大小差異高達1 1% 的組合,能形成晶體結構穩定的高熵合金,經原子尺度的電腦模擬發現,新合金內原子的獨特結構,導致其內部原子約 9% 的晶格畸變,遠超過一般高熵合金材料的2%,因此增加原子間差排移動的難度,不容易產生永久變形。

機械性質量測結果顯示,這種新合金有目前所知的最高彈性極限,相較絕大部分金屬,可以承受更大的形變,而且不同於大部分金屬加熱後會軟化,新合金表現出艾林瓦效應,對巨大溫差接近「無感」,即使加熱到攝氏 726 度左右,其剛度仍然與室溫下相當,實驗結果顯示,新合金的彈性能量耗損極低,代表未來若製成機械設備零件,可讓驅動設備的輸入能量盡可能轉換成推進力,不致於浪費能量。

包淳偉指出,這項合作研究從 2018 年應邀前往香港城市大學演講開始,當時城大教授楊勇在實驗室成功製備出超彈性高熵合金,但是許多實驗量測結果無法解釋,因此便與當時他的博士後研究員、現任台北科技大學材料及資源工程系助理教授陳信安,一起利用電腦模擬。

包淳偉說明,當時將實驗所觀察到的現象,以理論模型計算,得出精確的定量結果,包括原子周遭環境、晶格畸變程度,以及晶體熱力學穩定程度等實驗無法量測的項目,對照實驗結果後,從而驗證新合金的性質。

包淳偉的研究團隊,現持續進行更大尺度的分子模擬,期望能更加深入了解新合金的獨特機械性質與形變機制,將其應用在高精密元件中,而這次研究更克服原子半徑差異,引入極高的晶格畸變,這一研究思路也可在應用在其他新穎高熵材料的設計中。

(首圖來源:中研院)