中研院研發超彈性高熵合金突破極限 可應用能源、航太

隨著尖端科技發展,材料科學研發也日新月異。中研院應用科學研究中心研究員包淳偉與跨國團隊合作,以理論模擬結合實驗結果,研發出超彈性高熵艾林瓦 (Elinvar) 合金,擁有目前所知最高標準化強度、極低的彈性能耗損,能承受更大的外加應力、應變,不易變形,成果於近期登上國際知名學術期刊《自然》(Nature)。

包淳偉表示,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。

中研院指出,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。

自從清大材料科學工程學系特聘教授葉均蔚於 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、產氫技術及光電領域。

中研院說明,此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,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。

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機械性質量測結果也顯示,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。實驗結果顯示,新合金的彈性能量耗損極低,也就是說,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。

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