金屬一般加熱時會膨脹並軟化，不過由香港城市大學（城大）學者及其他研究員領導的團隊，首次發現一種超彈性合金會反其道而行，即使被加熱至1,000K（開氏度，即約727°C（攝氏度））甚至更高溫仍能維持剛度，更幾乎沒有能量耗損。研究團隊相信，該合金可以用於製作航天任務所需的高精準度裝置。

該研究團隊由城大機械工程學系楊勇教授與合作者共同領導。研究結果已於最新一期國際權威學術期刊《自然》上發表，題為「一種高度扭曲的超彈性化學複合艾林瓦合金」。

顛覆金屬遇熱變軟定律

一般來說，大部分固體包括金屬由於遇熱時會膨脹，致其彈性模量（即剛度）會隨著溫度上升而下降。但楊教授和團隊卻發現一種化學組成為Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀的高熵合金（以下簡稱為「高熵艾林瓦合金」），會出現「艾林瓦效應」，即合金於大幅度的溫度改變中，仍能維持其彈性模量。

楊教授說：「將上述合金加熱至1,000K（約727°C）甚至更高溫後，它的剛度與室溫時一樣，甚至稍為增加，而且膨脹時沒有出現任何明顯的相變。這顛覆了我們認為金屬通常會在受熱膨脹時變軟的一貫認知?！?/p>

他解釋這是個意外的發現：「我們團隊早在2017年已發現此現象，於是花上數年嘗試了解為何合金的剛度沒有隨溫度上升而改變的潛藏機理?！顾麄兊膶嶒炞C明，該合金即使被加熱到1,273K（1,000°C）並維持不同時間後再慢慢冷卻，其微觀結構和機械性能都不受影響。

楊教授說：「這意味該合金的剛度不會隨溫度而變化。翻查過文獻，至今並無金屬會出現這種現象的相關記載；我們首次發現這現象。」
 

特別結構衍生罕見特性

楊教授和團隊近日更拆解了高熵艾林瓦合金出現這種現象的原因，是因為它擁有一種特殊、高度扭曲的晶格結構，以及複雜的原子級化學元素分佈。由於結合了獨特的結構特徵，這種高熵艾林瓦合金具有非常高的能量障壁，阻止了位錯移動，因此展現出極佳的彈性應變極限，和近乎百分之百的儲能能力。

研究團隊還發現，高熵艾林瓦合金在室溫時，可以達到約百分之二的彈性極限（即金屬材料在出現永久變形前，可承受的最大彈性應變）；傳統的結晶合金的彈性極限一般都少於百分之一，兩者形成強烈對比。

雖然與高熵艾林瓦合金成份類似的合金，早在幾年前已面世，但科學界當時尚未了解其結構和行為。在今次研究，團隊為該合金製作了三種元素原子分佈各異的原子結構模型，並比較了三者的特性。團隊對該合金系統作系統性研究，並為發現申請了專利。
 

用於製作高精準度裝置的潛力

有趣的是，團隊發現高熵艾林瓦合金非常具彈力，並可以儲存大量彈性能。楊教授指出這種合金可用於儲存能量，以便之後作能量轉換。他解釋說：「由於彈性不會耗散能量，所以不會產生熱能，令裝置發熱故障；因此這種超彈性合金適用於製作高精準度的裝置，例如錶和精密計時器等。」

研究團隊指這種合金甚具應用潛力，特別是用於預計要應付急劇溫度變化的航天工程裝置和機械。楊教授說：「例如月球表面溫度可高至122°C及低至零下232°C，但高熵艾林瓦合金於極端環境中仍能保持堅固和完整，因此非常適合應用於太空任務中，須在巨大溫差環境下運作的機械精密計時器。」

楊教授、David Joseph Srolovitz教授（前城大學者，現任職香港大學）及中央研究院包淳偉教授是論文的通訊作者。城大機械工程學系赫全鋒博士（楊教授曾指導的博士生）和王建國博士（楊教授曾指導的博士後），以及中央研究院陳信安博士（包教授曾指導的博士生）均為第一作者。

城大工學院傑出教授兼香港高等研究院資深院士劉錦川教授、城大物理學系任洋教授，以及城大欒軍華博士、丁肇夷博士、周子清先生以及喬吉超博士亦有參與這次研究。

研究的其他主要合作學者包括北京高壓科學研究中心曾橋石教授，和法國里昂大學Jean-Marc Pelletier教授。

是次研究獲得城大、香港研究資助局、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目，和中央研究院前瞻計畫的資助而進行。

DOI number: 10.1038/s41586-021-04309-1

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