普渡大學開發新型「鈷鋁合金」，強度達結構鋼 10 倍且兼具高延展性

美國普渡大學（Purdue University）研究團隊近日公布一項金屬材料的重大突破：成功打造出一種「鈷鋁奈米層狀材料」，在維持高延展性的同時，強度最高可達結構鋼的 10 倍，為高溫、高應力環境下的材料設計開啟全新方向。

這項研究聚焦於鈷鋁（CoAl）這類「金屬間化合物」。這類材料雖然具備高強度、高熔點與優異的「抗潛變」（Creep）等優勢，非常適合應用於噴射引擎、燃氣渦輪、儲能系統與汽車零件；但卻常因晶體結構過於有序而顯得脆硬，難以在室溫下安全變形，大幅限制了實際的加工與應用。

研究團隊指出，傳統上為了提升鈷鋁合金的延展性，多半採用改變成分或與其他材料複合等做法，但效果相當有限。此次他們改以「奈米尺度」重新設計材料結構，在製程中直接引入「差排」（Dislocation，即原子的微觀錯位），並建立由非晶態介面構成的柔性邊界框架。如此一來，材料在受力時能透過局部結晶與產生新的差排來吸收變形能量，不至於直接碎裂。

▲ 透過微柱壓縮測試證實，這種新材料不僅降伏強度突破 6 GPa，其加工硬化承受力更可一路攀升至約 8.5 GPa，同時還能維持超過 15% 的壓縮塑性應變。

根據測試結果，這種奈米層狀材料的「降伏強度」（Yield strength）高達 6 GPa，約為高強度結構鋼的 6 到 10 倍；同時，它在室溫的壓縮測試下，仍可承受高達 15% 的「塑性應變」（Plastic strain），顯示出罕見的高強度與高延展性兼具特質。研究團隊形容，這是目前已報導的金屬間化合物系統中，表現最出色的案例之一。

這項成果也呼應了近期金屬材料的研究趨勢：透過控制原子排列與微觀結構，來同時提升強度與韌性。有別於傳統的鎔融鑄造，普渡大學團隊採用「磁控濺鍍沉積」技術，讓材料直接從合金蒸氣形成固體薄膜，成功在鈷鋁合金中保留大量差排並形成非晶態介面。研究人員表示，這種非平衡製程是傳統鑄造法無法達成的。

團隊接下來計畫將這套結構概念推向更大尺度的鈷鋁奈米複合材料，並測試是否也能套用到其他種類的金屬間化合物。若能順利擴大應用，未來在航空、太空探索、能源與國防等領域，材料設計將有望打破傳統限制，不再只能於「強度」與「可塑性」之間二選一。

（首圖為鈷鋁材料受力變形後的反極圖（Inverse pole figures），顯示其晶體方位與非晶態介面網絡，來源：Purdue University）