突破合金材料极限!中研院研发“超弹性高熵合金”助攻高精密组件

中央研究院应用科学研究中心研究员包淳伟与海外团队合作,以理论模拟结合实验结果,研发出超弹性高熵艾林瓦(Elinvar)合金,拥有目前所知最高标准化强度、极低的弹性能耗损,而成果近期更是登上国际知名学术期刊《自然》(Nature)。

包淳伟表示,研究团队正持续进行更大尺度的分子模拟,能承受更大的外加应力、应变,不容易变形,希望能将这个研究成果应用在要求恒定弹性、需应对温度急剧变化的高精密组件中,例如民生、生医、能源、航天等产业。

传统合金材料是由一种成分浓度最高的主体元素加入其他元素组成,例如钢材是以铁为主体元素,再掺杂碳及其他元素,而高熵合金(high entropy alloy)是由多种元素以相近浓度均匀混合,突破传统材料瓶颈,具有强度提升,更加耐磨、耐温及轻量化等优势。

自从国立清华大学材料科学工程学系特聘教授叶均蔚自2004年提出高熵合金的概念以来,目前已有少部分的产业应用,如金属切削加工使用的刀具等,并有许多研究人员在该基础上持续深化,除高熵合金外,目前材料学界也积极研发其他高熵材料,如高熵陶瓷、高熵二维材料等,预期可应用在电池、产氢技术以及光电领域。

以计算机模拟超弹性高熵艾林瓦合金的晶体结构。 (Source:中研院)

研究团队结合计算机模拟与实验,首次发现结合钴、镍、铪、钛、锆这五种元素,原子大小差异高达1 1%的组合,能形成晶体结构稳定的高熵合金,经原子尺度的计算机模拟发现,新合金内原子的独特结构,导致其内部原子约9%的晶格畸变,远超过一般高熵合金材料的2%,因此增加原子间差排移动的难度,不容易产生永久变形。

机械性质测量结果显示,这种新合金有目前所知的最高弹性极限,相较绝大部分金属,可以承受更大的形变,而且不同于大部分金属加热后会软化,新合金表现出艾林瓦效应,对巨大温差接近“无感”,即使加热到摄氏726度左右,其刚度仍然与室温下相当,实验结果显示,新合金的弹性能量耗损极低,代表未来若制成机械设备零件,可让驱动设备的输入能量尽可能转换成推进力,不致于浪费能量。

包淳伟指出,这项合作研究从2018年应邀前往香港城市大学演讲开始,当时城大教授杨勇在实验室成功制备出超弹性高熵合金,但是许多实验测量结果无法解释,因此便与当时他的博士后研究员、现任台北科技大学材料及资源工程系助理教授陈信安,一起利用计算机模拟。

包淳伟说明,当时将实验所观察到的现象,以理论模型计算,得出精确的定量结果,包括原子周边环境、晶格畸变程度,以及晶体热力学稳定程度等实验无法测量的项目,对照实验结果后,从而验证新合金的性质。

包淳伟的研究团队,现持续进行更大尺度的分子模拟,期望能更加深入了解新合金的独特机械性质与形变机制,将其应用在高精密组件中,而这次研究更克服原子半径差异,引入极高的晶格畸变,这一研究思路也可在应用在其他新颖高熵材料的设计中。

(首图来源:中研院)

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