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突破合金材料極限!中研院跨國合作研發超彈性高熵合金

中研院應用科學中心研究員包淳偉和跨國團隊研發出超彈性高熵合金。(中研院提供)

中研院應用科學中心研究員包淳偉和跨國團隊研發出超彈性高熵合金。(中研院提供)

2022/03/10 12:14

〔記者楊媛婷/台北報導〕中研院應用科學研究中心研究員包淳偉和香港城市大學教授楊勇、香港城市大學工學院傑出教授劉錦川等跨國團隊合作,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,並且可以承受更大壓力也不易變形,包淳偉說,該超彈性高熵合金保守評估可在10年後實際運用於軍武航太、能源、生醫產業。

該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5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;經機械性質量測結果亦顯示,該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,實驗結果亦顯示,新合金的彈性能量耗損極低,包淳偉說,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。

包淳偉進一步指出,該新合金較現有傳統合金相比,可承受更大的壓力,並且若將該合金延展拉伸,較傳統合金更可以恢復原狀,他說因為該合金的特性,若運用在儀器零件或是機械結構,可讓機械更輕,但仍有很好的保護強度,例如若該合金運用在車輛的大樑,車子的重量就能更輕,能相對節能外,也可提供原本良好的保護強度。

由於該新合金中裡面不少都是用稀有金屬,包淳偉透露,團隊有考量是否用其他元素來替代稀有金屬,讓該新合金可更廣泛用於民生層面;他也說,該新合金已由香港城市大學團隊申請美國專利中。

該研究成果於近期登上國際知名學術期刊《自然》(Nature),包淳偉研究說,研究團隊正持續進行更大尺度的分子模擬,他說目前只知道該新合金材料的基本性質,接下來會透過更大尺度的分子模擬探討新合金變形的情況,未來也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。

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