又硬又超展開!清大葉均蔚讓高熵合金材料發光發熱

今(2016)年五月, Nature 期刊刊出一篇很特別的專題報導,文章主角來自台灣。目前在清大材料工程學系任教的葉均蔚, 2004 年提出「高熵合金」( HighEntropy Alloys )概念,突破合金材料學過去認為合金種類越多、脆性化合物越多的迷思,開啟了「金屬調和學」的新領域,論文一發表立刻引來國際關注,如今知名國際期刊還主動跨海採訪,讓台灣在高熵合金的領域上領先全球。

清大材料工程學系葉均蔚教授,開創高熵合金材料領域,並於 2014 年與其他兩位學者共同出版教科書。圖/清華大學秘書處

高熵合金:降低傳統合金的脆性化合物

雖然人類從遠古的鐵器時代就開始以金屬作為製作工具的材料,傳統合金發展也超過數十年,但過去合金製作總是不脫「以一個金屬為主」、加入少量鋅、鎂、銅等元素合成的方式。這是由於當金屬添加種類越多、就越容易產生脆性化合物,這類化合物一旦增加,材料延展性、硬度都會跟著下降,連帶縮小使用範圍,也因此過去一直沒有人踏出第一步嘗試。

而葉均蔚卻逆向思考提出高熵合金的概念,他將五種以上的金屬混合,以每個主元素原子百分比介於 5% 35%、每個次元素小於 5% 的比例製作,結果意外開啟了「高熵合金」新領域(參考:多元高熵合金薄膜)。清大校長賀陳弘甚至形容,這是一個「不簡單的成就」。

驗證高熵效應 定義原理樣樣自己來

這樣的新嘗試其實立基在「高熵效應」這個熱力學的理論上。首先得解釋「熵」這個專有名詞,它其實是熱力學上代表亂度的參數,一個系統的亂度越大、熵也就越大。科學家發現,當金屬元素增加時,高熵效應反而會促進元素間的混合,讓每個元素的原子在原子層之間隨機散布,不會形成排列有序的脆性化合物,最後反而讓材料得到韌性,這就是所謂的「高熵效應」。

高熵合金與其他材料強韌度的比較。

高熵合金與其他材料強韌度的比較。圖/清華大學提供。

雖然高熵效應存在許久,卻沒有人真正對此進行實驗,葉均蔚以「人煙稀少的新境界」形容這個新興領域,從一開始的名稱、定義、到後來的基本原理研究,樣樣自己來,也因此奠定葉均蔚「高熵合金之父」的地位。

發展十多年的高熵合金技術,目前已經應用在各種不同領域,這類材料的成品比傳統材料更耐熱、不易斷裂、可塑性也更高。葉均蔚說,可耐攝氏 900 度幅照損傷的核能反應爐、噴射引擎葉片耐溫度的提升,都是未來指日可待的成品。

利用「高熵合金」為材料做出高壽命的刀具。

利用「高熵合金」為材料做出高壽命的刀具。圖/清華大學提供。


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關於作者

彭 琬馨

一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。

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