中研院研發超彈性高熵合金 登國際期刊《自然》
2022-03-10
2042
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，研發出超彈性高熵艾林瓦合金，突破合金材料極限，研究近期登上國際知名學術期刊自然（Nature）。
據中央研究院網站消息，隨著尖端科技發展，材料科學研發也日新月異。中央研究院應用科學研究中心包淳偉研究員與跨國團隊合作，以理論模擬結合實驗結果，研發出超彈性高熵[1]艾林瓦[2]（Elinvar）合金，擁有目前所知最高標準化強度[3]、極低的彈性能耗損，能承受更大的外加應力、應變，不容易變形，成果於近期登上國際知名學術期刊《自然》（Nature）。包淳偉研究員表示，研究團隊正持續進行更大尺度的分子模擬，希望能將此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葉均蔚特聘教授於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。許多研究人員在此基礎上持續深化，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。
本次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[4]高達11%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[5]，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。機械性質量測結果亦顯示，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。
除此之外，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。實驗結果亦顯示，新合金的彈性能量耗損極低，亦即，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。
包淳偉研究員指出，此合作研究始於2018年應邀前往香港城市大學演講。城大楊勇教授當時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。包淳偉研究員便與當時他的博士後研究員、現任臺北科技大學材料及資源工程系陳信安助理教授，一起利用電腦模擬，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。此外，本次研究克服了原子半徑差異，引入極高的晶格畸變，此一研究思路亦可在應用在其他新穎高熵材料的設計中。
本次研究成員有本院應用科學研究中心包淳偉研究員、臺北科技大學材料系陳信安助理教授、香港大學David J. Srolovitz教授、香港城市大學楊勇教授，以及香港城市大學工學院傑出教授、本院劉錦川院士等全球多個研究團隊。
論文全文：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04309-1
[1] 熵，音同「商」，是一種熱力學性質。比較容易理解的通俗說法是「熵」代表了系統的混亂無序程度，系統越亂（或者呈現愈多的可能性），熵就越大。
[2] 艾林瓦（Elinvar）效應是指材料在一定溫度範圍內，保持恆定的彈性模量。舉例而言，用於製造科學測量儀器的金屬材質，需要盡可能維持彈性恆定，才不會因為溫度變化影響結果。
[3] 最高標準化強度（normalized strength）為降伏強度與楊氏模量的比值，相當於彈性變形極限。
[4] 一般認為原子大小差異若是太大，無法形成規則晶體。例如，可以將一堆棒球整齊地疊在一起，但若混入籃球、高爾夫球等不同大小球體，就很難堆疊整齊。本研究以電腦模擬及實驗發現，當較小的鈷、鎳原子與較大的鉿、鈦、鋯原子以大小互補的模式交替配置時，能夠形成穩定的晶體材料。
[5] 晶格畸變（lattice distortion）：在材料科學領域中，金屬變形一般歸因於原子尺度的差排滑移。組成高熵合金的原子有大有小，晶格畸變是指晶體結構不整齊，此一現象使得差排滑移的障礙更高，如同車子在整齊平順道路上可快速行駛，但若增加不規則坑洞，行駛難度變高。妨礙金屬變形，也等於提高了彈性的極限值。
【圖片來源：中央社（中研院提供）】
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葉均蔚特聘教授於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。許多研究人員在此基礎上持續深化，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。
本次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[4]高達11%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[5]，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。機械性質量測結果亦顯示，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。
除此之外，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。實驗結果亦顯示，新合金的彈性能量耗損極低，亦即，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。
包淳偉研究員指出，此合作研究始於2018年應邀前往香港城市大學演講。城大楊勇教授當時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。包淳偉研究員便與當時他的博士後研究員、現任臺北科技大學材料及資源工程系陳信安助理教授，一起利用電腦模擬，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。此外，本次研究克服了原子半徑差異，引入極高的晶格畸變，此一研究思路亦可在應用在其他新穎高熵材料的設計中。
本次研究成員有本院應用科學研究中心包淳偉研究員、臺北科技大學材料系陳信安助理教授、香港大學David J. Srolovitz教授、香港城市大學楊勇教授，以及香港城市大學工學院傑出教授、本院劉錦川院士等全球多個研究團隊。
論文全文：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04309-1
[1] 熵，音同「商」，是一種熱力學性質。比較容易理解的通俗說法是「熵」代表了系統的混亂無序程度，系統越亂（或者呈現愈多的可能性），熵就越大。
[2] 艾林瓦（Elinvar）效應是指材料在一定溫度範圍內，保持恆定的彈性模量。舉例而言，用於製造科學測量儀器的金屬材質，需要盡可能維持彈性恆定，才不會因為溫度變化影響結果。
[3] 最高標準化強度（normalized strength）為降伏強度與楊氏模量的比值，相當於彈性變形極限。
[4] 一般認為原子大小差異若是太大，無法形成規則晶體。例如，可以將一堆棒球整齊地疊在一起，但若混入籃球、高爾夫球等不同大小球體，就很難堆疊整齊。本研究以電腦模擬及實驗發現，當較小的鈷、鎳原子與較大的鉿、鈦、鋯原子以大小互補的模式交替配置時，能夠形成穩定的晶體材料。
[5] 晶格畸變（lattice distortion）：在材料科學領域中，金屬變形一般歸因於原子尺度的差排滑移。組成高熵合金的原子有大有小，晶格畸變是指晶體結構不整齊，此一現象使得差排滑移的障礙更高，如同車子在整齊平順道路上可快速行駛，但若增加不規則坑洞，行駛難度變高。妨礙金屬變形，也等於提高了彈性的極限值。
【圖片來源：中央社（中研院提供）】
作者介紹
延伸閱讀
