科技發(fā)展是一個(gè)不斷克服困難、不斷尋求突破的過(guò)程。

    由香港城市大學(xué)（香港城大）領(lǐng)導(dǎo)的一支研究團(tuán)隊(duì)最近便研發(fā)出一種全新的策略，去制造出了高強(qiáng)度合金。這種合金不但堅(jiān)固，而且兼具延展性和韌性，攻破了強(qiáng)度和延展性不相容這個(gè)棘手難題，為未來(lái)研發(fā)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)材料掃除障礙。

    多主元合金，通常稱為高熵合金（High-entropy alloys，簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)應(yīng)用方面具有很大潛力，因此目前在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域備受關(guān)注，是相關(guān)研究的重點(diǎn)。

    然而，大多數(shù)合金都同樣存在一個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn)：合金的強(qiáng)度越高，其延展性和韌性越小，即堅(jiān)固的合金更難以變形或拉伸而不斷裂。

    不過(guò)，由香港城大材料科學(xué)及工程學(xué)系、大學(xué)杰出教授劉錦川教授領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究于最近取得突破，為這個(gè)糾結(jié)了數(shù)十年的難題找到解決方法：透過(guò)納米級(jí)顆粒大量沉淀，制造堅(jiān)固且具有延展性的高熵合金。

    這項(xiàng)尖端研究剛在最新一期的頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）發(fā)表，題為《多組元金屬間納米顆粒和復(fù)合合金的優(yōu)越機(jī)械性能》（Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys）。

以創(chuàng)新方法制成的新型高熵合金Al7Ti7解決了強(qiáng)度和延展性不相容這個(gè)棘手難題

    找出「強(qiáng)度和延展性兼具」的平衡

    劉教授說(shuō)︰“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(qiáng)度達(dá)1.5 GPa（gigapascal），延展性達(dá)50%。透過(guò)納米顆粒的強(qiáng)化，它能比以鐵、鈷、鎳（FeCoNi）制成的合金堅(jiān)固5倍。”

    “大部分常見(jiàn)的合金由一至兩種主要元素，如鎳和鐵來(lái)制造。然而，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)在鐵鈷鎳合金中加入鋁和鈦，形成大量沉淀顆粒，合金的強(qiáng)度和延展性都顯著提高，解決了結(jié)構(gòu)材料中兩者難以兼得的關(guān)鍵問(wèn)題。”劉教授解釋說(shuō)。

    此外，高強(qiáng)度合金在塑性變形的過(guò)程中通常出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況，即頸縮（necking）問(wèn)題，也就是說(shuō)當(dāng)合金受高拉伸力時(shí)，其變形會(huì)變得不穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)頸縮斷裂（局部變形），只能作有限的均勻伸長(zhǎng)?？墒?，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，加入「多組元金屬間納米顆?！?，即由不同元素原子組成的復(fù)合納米顆粒，可以改善變形的不穩(wěn)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(jìn)行分析

    解決「變形和脆化」問(wèn)題

    團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步找出由鎳、鈷、鐵、鈦和鋁原子組成的復(fù)合納米顆粒的理想配方。劉教授解釋，每個(gè)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(jià)電子」（valence electron）的密度，增強(qiáng)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(dǎo)致新合金出現(xiàn)脆化的機(jī)會(huì)。

Al7Ti7合金在常溫下具有優(yōu)異的強(qiáng)度-延長(zhǎng)性組合

    “這項(xiàng)研究為制造超級(jí)合金開(kāi)拓了一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)策略，通過(guò)采用多組元納米顆粒來(lái)強(qiáng)化復(fù)合合金，從而讓新型合金在室溫和高溫下達(dá)至優(yōu)越的機(jī)械性能。”劉教授說(shuō)。

    他相信，采用這種創(chuàng)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(nèi)都表現(xiàn)出良好性能，這些新合金將為進(jìn)一步研發(fā)低溫設(shè)備、飛機(jī)和航空高溫系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)用途奠定穩(wěn)健的基礎(chǔ)。

    劉錦川教授是美國(guó)國(guó)家工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士、臺(tái)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(xiàng)研究的論文的通訊作者，他的博士生、現(xiàn)任香港城大材料科學(xué)及工程學(xué)系高級(jí)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(jī)械工程學(xué)系和先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心的開(kāi)執(zhí)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(yáng)和魏杰、和博士生陳達(dá)，以及香港理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系助理教授焦增寶博士、北京工業(yè)大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)與性能研究所的韓曉東教授和蔡吉祥博士、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任、中國(guó)科學(xué)院院士盧柯教授，和中南大學(xué)粉末冶金研究院院長(zhǎng)、粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉詠教授。

劉錦川教授與團(tuán)隊(duì)合照，前排左起為開(kāi)執(zhí)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(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室高級(jí)副研究員欒軍華博士

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