顛覆定律！城大發現超彈性高熵艾林瓦合金，具潛力應用于航天工程
金屬一般在加熱時會膨脹并軟化，不過由香港城市大學（城大）學者及其他研究人員領導的團隊，便首次發現了一種超彈性合金會反其道而行，即使被加熱至1,000K（約726.85°C）甚至更高溫仍能維持剛度（stiffness），更幾乎沒有能量耗損。研究團隊相信，該合金可以用于制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（MNE）楊勇教授與合作的研究人員共同領導。研究結果已于最新一期國際權威學術期刊《自然》（Nature）上發表，題為〈A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy〉。
顛覆金屬遇熱變軟的定律
一般來說，大部分固體包括金屬由于遇熱時會膨脹，因此它們的彈性模量（elastic modulus，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（Elinvar effect）”，即合金于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726.85°C）甚至更高溫后，它的剛度與室溫時一樣，甚至更剛硬了一點，而且膨脹時也沒有出現任何明顯的相變（phase transition）。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>
他解釋這是意外的發現，并說：“我們團隊早在2017年已發現了此現象，于是花上數年時間嘗試了解為何它的剛度沒有隨著溫度上升而改變的潛藏機理?！睂嶒炞C明，該合金即使被加熱到1,273K（1,000°C）并維持不同時間后再慢慢冷卻，其微觀結構和機械性能都不受影響。
楊教授說：“這意味著該合金的剛度不會隨溫度而變化。在翻查文獻后，至今并無發現有任何相關文獻記載過金屬會出現這種現象，這意味著我們首次發現這個現象?！?/p>
特殊的晶格結構衍生罕見特性
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，原來是因為它擁有一種特殊、高度扭曲的晶格結構（highly distorted lattice structure），以及相當復雜的原子級化學元素分布。由于結合了獨特的結構特征，這種高熵艾林瓦合金具有非常高的能量勢壘（energy barrier），阻止了位錯移動（dislocation movements），因此展現出極佳的彈性應變極限，和近乎100%的儲能能力（energy storage capacity）。
研究團隊還發現，塊狀的高熵艾林瓦合金在室溫時，可以達到約2%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）；相反，傳統的結晶合金的彈性極限一般都少于1%，兩者形成鮮明的對比。
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，但科學界當時尚未弄清楚其結構和行為。在今次研究中，楊教授和團隊為該合金制作了三種元素原子分布各有不同的原子結構模型，并比較了三者的特性。團隊對該合金系統作出系統性的研究，并為發現申請了專利。
用于制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有彈力，并可以儲存大量的彈性能（elastic energy）。楊教授指出這種合金可用于儲存能量，以便之后能量轉換。他解釋說：“由于彈性不會耗散能量，所以不會產生熱能而令裝置發熱故障，因此這種超彈性合金適用于制作高精準度的裝置，例如表和精密計時器等?！?/p>
研究團隊比較鋼珠彈在（左起）高熵艾林瓦合金、Cu50Zr45Al5、鋁化鎳合金、以及市面上買到的不銹鋼表面的彈跳情況，結果發現高熵艾林瓦合金彈性最好。（DOI number: 10.1038/s41586-021-04309-1）
研究團隊預視這種合金可具備多種應用，特別是用于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：“月球表面溫度可高至122°C及低至零下232°C，但高熵艾林瓦合金于極端環境中仍能保持堅固和完整，因此非常適合應用于太空任務中，需在巨大溫差環境下運行的機械精密計時器。”
楊教授、David Joseph Srolovitz教授（前城大學者，現職于香港大學）及來自中央研究院的包淳偉教授是研究論文的通訊作者。城大MNE的赫全鋒博士（楊教授曾指導的博士生）、王建國博士（楊教授曾指導的博士后）及來自中央研究院的陳信安博士（包教授曾指導的博士生）為第一作者。
香港城市大學工學院杰出教授、香港高等研究院資深院士劉錦川教授，城大物理學系的任洋教授，以及城大的欒軍華博士、丁肇夷博士、喬吉超博士以及周子清先生亦有參與這次研究。
研究的其他主要合作學者包括北京高壓科學研究中心的曾橋石教授，和里昂大學的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，和中央研究院的前瞻計劃的資助而進行。
DOI number: 10.1038/s41586-021-04309-1
本文已于 “香港城大研創” 微信公眾號發布。
Wechat ID: CityU_Research
