堅固又具韌性的新型高熵合金面世！
由香港城市大學(xué)（香港城大）領(lǐng)導(dǎo)的一支研究團(tuán)隊最近便研發(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棘手難題，為未來研發(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。由於這種合金在結(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。
然而，大多數(shù)合金都同樣存在一個關(guān)鍵的缺點：合金的強(qiáng)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(xué)及工程學(xué)系、大學(xué)傑出教授劉錦川教授領(lǐng)導(dǎo)的一項研究於最近取得突破，為這個糾結(jié)了數(shù)十年的難題找到解決方法：透過納米級顆粒大量沉澱，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(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）。
找出「強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)1.5 GPa（gigapascal），延展性達(dá)50%。透過納米顆粒的強(qiáng)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(fā)現(xiàn)通過在鐵鈷鎳合金中加入鋁和鈦，形成大量沉澱顆粒，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)鍵問題。”劉教授解釋說。
此外，高強(qiáng)度合金在塑性變形的過程中通常出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況，即頸縮（necking）問題，也就是說當(dāng)合金受高拉伸力時，其變形會變得不穩(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。可是，研究團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，加入「多組元金屬間納米顆粒」，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。
解決「變形和脆化」問題
團(tuán)隊更進(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，每個納米顆粒只有30至50納米大小，並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(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。
“這項研究為制造超級合金開拓了一種創(chuàng)新的設(shè)計策略，通過采用多組元納米顆粒來強(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。
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度高溫的溫度範(fàn)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(xiàn)任香港城大材料科學(xué)及工程學(xué)系的高級副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)材料研究中心的開執(zhí)中講座教授、助理教授胡琪怡博士、博士後研究員趙怡潞、仝陽和魏傑、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、中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家實驗室主任、中國科學(xué)院院士盧柯教授，和中南大學(xué)粉末冶金研究院院長、粉末冶金國家重點實驗室劉詠教授。
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