隨著尖端科技發展,材料科學研發也日新月異。本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(註一)艾林瓦(註二)(Elinvar)合金,擁有目前所知最高標準化強度(註三)、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。

本院應用科學研究中心包淳偉研究員

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(註四)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(註五),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


(註一)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。
(註二)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。
(註三)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。
(註四)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。
(註五)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1:包淳偉研究員研究團隊以電腦模擬超彈性高熵艾林瓦(Elinvar)合金的晶體結構
圖片1說明:
圖a為原子結構模型,用來比較超彈性高熵艾林瓦合金內部各元素排列狀況。
圖b為圖a中3種原子排列模型的相對能量,越低代表結構越穩定。
圖c為此合金內鈷、鎳、鉿、鈦、鋯五種元素的晶格畸變程度分布。
圖d為圖a中Model III的晶格畸變結構範例及原子局部結構分佈,可判斷合金內的晶體結構較接近哪一種。

影片1(檔案):超彈性高熵艾林瓦合金的內部分子結構模擬影片。
影片出處:中研院應科中心包淳偉研究員

影片2(YouTube):彈性測試實驗影片
影片出處:Nature 602, 251–257 (2022). Extended Data Fig. 5 Video
連結:https://www.youtube.com/watch?v=cfi_hz_-CzM&t=13s
影片2說明:研究團隊在試管底部放置4種材質,由左至右分別為高熵艾林瓦合金、銅鋯鋁金屬玻璃、鎳鋁合金、不鏽鋼,
再比較鋼珠落在不同材質表面的彈跳情況,結果發現高熵艾林瓦合金彈性最佳。