對相同金屬形成的結構而言，奈米微晶比尺寸較大的塊材要來得強韌許多，可惜它卻較為不穩定。自然界的物體傾向處於低能量狀態，奈米微晶為降低其表面能而傾向生成較大的晶粒。特別是在高溫環境下，奈米微晶的晶粒會成長並結合，導致金屬軟化，而高溫熱處理卻是金屬製程裡相當常見的步驟。儘管研究人員試圖尋找避免晶粒成長的方法，但一直未找到令人滿意的解決方案。
最近，麻省理工學院（MIT）的Christopher Schuh研究團隊研發出一種新方法，所設計製造出高溫時不會發生晶粒成長結合的奈米微晶合金。Schuh表示，他們先計算合金內所有原子/鍵結的能量，包含在晶體環境中、晶界及晶體之間，再依此計算結果設計製作合金。他們特別計算了不同合金元素對整體結構能量的影響，並試圖找出能穩定晶界的元素，以得到能穩定維持的奈米微晶狀態。
研究人員從計算結果獲得不同金屬所需之比例，並依此成功合成出高溫環境下依舊穩定的奈米微晶金屬。他們也研究了通常不會混合在一起的金屬合金，有些甚至未曾被製作過。例如他們在研究鎢合金時，就考慮了12種不同的元素，其中包含鈦、鉻、銅與銀等。Schuh指出，傳統設計合金時通常不會考量到晶界，而是專注於這些不同金屬間的相容程度，然而晶界對於創造出穩定的奈米微晶卻極為重要，因此他們在計算中納入這些因素。
該團隊所製造的一款鎢鈦合金含有20%的鈦原子，其晶粒大小僅有20 nm。實驗發現該合金在1100°C的退火溫度下一星期後，依舊維持穩定並具有絕佳強度。這種材料適合用於需要高耐衝擊性的應用上，譬如工業機械或裝甲鋼板等。
Schuh表示，他們研發的方法很容易推廣用來製造其他強度與穩定度一樣好或更好的新奈米結構材料，或許還能滿足額外的特性需求如抗腐蝕性等。該團隊目前正在詳究如何將其理論方法推廣到其他合金與結構。詳見Science｜DOI: 10.1126/science.1224737。
資料來源：Nanocrystalline alloys can take the heat. NanoTech.org [Aug 24, 2012]
譯者:丁逸勳（台灣海洋大學材料工程研究所）
責任編輯:蔡雅芝
轉載自奈米科學網
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