突破合金材料極限！中研院研發「超彈性高熵合金」助攻高精密元件

https://technews.tw/2022/03/10/elinvar/

中央研究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，而成果近期更是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，能承受更大的外加應力、應變，不容易變形，希望能將這個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。

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特聘教授葉均蔚自 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，並有許多研究人員在該基礎上持續深化，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。

▲以電腦模擬超彈性高熵艾林瓦合金的晶體結構。（Source：中研院）

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1 1% 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。

機械性質量測結果顯示，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，而且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，代表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。

包淳偉指出，這項合作研究從 2018 年應邀前往香港城市大學演講開始，當時城大教授楊勇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，因此便與當時他的博士後研究員、現任台北科技大學材料及資源工程系助理教授陳信安，一起利用電腦模擬。

包淳偉說明，當時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，而這次研究更克服原子半徑差異，引入極高的晶格畸變，這一研究思路也可在應用在其他新穎高熵材料的設計中。

（首圖來源：中研院）