科技發展是一個不斷克服困難、不斷尋求突破的過程。

    由香港城市大學（香港城大）領導的一支研究團隊最近便研發出一種全新的策略，去制造出了高強度合金。這種合金不但堅固，而且兼具延展性和韌性，攻破了強度和延展性不相容這個棘手難題，為未來研發創新的結構材料掃除障礙。

    多主元合金，通常稱為高熵合金（High-entropy alloys，簡稱HEAs），是由五種或以上等量或相近等量的金屬制成的新型材料。由于這種合金在結構應用方面具有很大潛力，因此目前在材料科學和工程領域備受關注，是相關研究的重點。

    然而，大多數合金都同樣存在一個關鍵的缺點：合金的強度越高，其延展性和韌性越小，即堅固的合金更難以變形或拉伸而不斷裂。

    不過，由香港城大材料科學及工程學系、大學杰出教授劉錦川教授領導的一項研究于最近取得突破，為這個糾結了數十年的難題找到解決方法：透過納米級顆粒大量沉淀，制造堅固且具有延展性的高熵合金。

    這項尖端研究剛在最新一期的頂尖學術期刊《科學》（Science）發表，題為《多組元金屬間納米顆粒和復合合金的優越機械性能》（Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys）。

以創新方法制成的新型高熵合金Al7Ti7解決了強度和延展性不相容這個棘手難題

    找出「強度和延展性兼具」的平衡

    劉教授說︰“我們能夠制造一種名為Al7Ti7 （（FeCoNi）86Al7Ti7）的新型高熵合金，這種新型合金在室溫下強度達1.5 GPa（gigapascal），延展性達50%。透過納米顆粒的強化，它能比以鐵、鈷、鎳（FeCoNi）制成的合金堅固5倍。”

    “大部分常見的合金由一至兩種主要元素，如鎳和鐵來制造。然而，我們發現通過在鐵鈷鎳合金中加入鋁和鈦，形成大量沉淀顆粒，合金的強度和延展性都顯著提高，解決了結構材料中兩者難以兼得的關鍵問題。”劉教授解釋說。

    此外，高強度合金在塑性變形的過程中通常出現不穩定的狀況，即頸縮（necking）問題，也就是說當合金受高拉伸力時，其變形會變得不穩定，很容易出現頸縮斷裂（局部變形），只能作有限的均勻伸長。可是，研究團隊進一步發現，加入「多組元金屬間納米顆粒」，即由不同元素原子組成的復合納米顆粒，可以改善變形的不穩定性，大大提升合金的均勻變形能力。

研究人員把新型高熵合金Al7Ti7放在三維原子探針下進行分析

    解決「變形和脆化」問題

    團隊更進一步找出由鎳、鈷、鐵、鈦和鋁原子組成的復合納米顆粒的理想配方。劉教授解釋，每個納米顆粒只有30至50納米大小，并用鐵和鈷原子取代部分鎳，有助降低「價電子」（valence electron）的密度，增強新合金的延展性；另一方面，用鈦取代部分鋁，能夠大大減少空氣中水分導致新合金出現脆化的機會。

Al7Ti7合金在常溫下具有優異的強度-延長性組合

    “這項研究為制造超級合金開拓了一種創新的設計策略，通過采用多組元納米顆粒來強化復合合金，從而讓新型合金在室溫和高溫下達至優越的機械性能。”劉教授說。

    他相信，采用這種創新策略制造的新合金，能夠在零下200度低溫至1,000度高溫的溫度范圍內都表現出良好性能，這些新合金將為進一步研發低溫設備、飛機和航空高溫系統以及其他領域的結構用途奠定穩健的基礎。

    劉錦川教授是美國國家工程院院士、中國工程院外籍院士、臺灣中央研究院院士，以及香港城大高等研究院資深院士。他是這項研究的論文的通訊作者，他的博士生、現任香港城大材料科學及工程學系高級助理研究員楊濤是第一作者。

    其他共同作者包括：香港城大機械工程學系和先進結構材料研究中心的開執中講座教授、助理教授胡琪怡博士、博士后研究員趙怡潞、仝陽和魏杰、和博士生陳達，以及香港理工大學機械工程學系助理教授焦增寶博士、北京工業大學固體微結構與性能研究所的韓曉東教授和蔡吉祥博士、中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家實驗室主任、中國科學院院士盧柯教授，和中南大學粉末冶金研究院院長、粉末冶金國家重點實驗室劉詠教授。

劉錦川教授與團隊合照，前排左起為開執中教授、劉錦川教授、焦增寶博士，后排左起是趙怡潞、楊濤，和三維原子探針聯合研究實驗室高級副研究員欒軍華博士

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責任編輯：王元

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