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          材料學家加緊研發下一代合金:更硬更韌更延展

            可探索的空間仍然非常巨大,而我們目前只看到一小部分宇宙。


            

            埃姆斯實驗室的高熵合金制作設備。 圖片來源:Jason Edwards/Getty

            

            乍一看,這個設備像是在建造的一個微型景觀。一圈噴嘴對從四個噴管噴出的金屬粉末加熱,形成向下的光束,融合碰撞的微粒。然后,混合物凝聚成晶粒,形成一個逐步生長的小型柱狀合金。一旦合金柱達到2厘米高時,平臺將其移動到一邊,設備接著建造另一個。

            

            驚鴻一瞥

            

            實際上,這些金屬柱子“誕生”自美國愛荷華州埃姆斯實驗室,反映了科學家對合金看法的重大改變。制造合金的標準技術從遠古鑄劍到現在制造發動機引擎葉片一直在沿用,也就是將有用的金屬混合一系列能提升性能的東西,例如在鐵中加碳制成鋼。

            

            但該設備正在制造高熵合金實驗樣品,它由四五個,甚至更多的元素以嚴格的比例混合而成。這種看似簡單的配方可以生產出比傳統材料更輕、更強的合金,并且更耐腐蝕、耐輻照等。最終,研究人員希望這個方法能夠生產從未有過的磁性或電性能合金,并形成新一代技術。

            

            中國北京科技大學新金屬國家重點實驗室張勇認為“我們幾乎已經探索過傳統金屬的所有方面,而對于高熵合金這方面的研究是全新的”。雖然,高熵合金尚未從實驗室推廣到市場,不過研究者期望在高溫爐襯和超輕型航天材料等方面獲得潛在應用。

            

            美國帕特森空軍基地實驗室材料科學家Daniel Miracle認為,“我們并不僅僅是在談論一種材料,而是如何混合元素的哲學”?!罢业叫露拥臇|西的機會是很高的?!比ツ?,他和同事估計過從一組26個元素中,抽取3、4、5、6種金屬元素混合,可得到大約313560種不同的合金。

            

            但德國波鴻魯爾大學材料工程師Easo Georg認為,并不是所有的混合都能奏效??茖W家仍在研究哪些有效哪些沒有。他認為,“可探索的空間仍然非常巨大,而我們目前只看到一小部分宇宙”。

            

            更輕更強

            

            高熵合金概念由中國臺灣科學家葉均蔚于1995年提出。葉均蔚認為,傳統合金的物理性能已經得到了很好的研究,在原子層面上,純金屬具有規則的晶體結構——由相同的原子一層層堆出。有時,這些層相互之間很容易滑動,表現到金屬就是非常軟而不能用,這就是純金僅僅只能用在珠寶上的原因。但在金屬中添加不同原子尺寸的元素能降低滑動趨勢,從而創造更硬的合金。精確的混合物可以讓冶金學家調控合金的腐蝕性或者熔點等性能。

            

            但葉均蔚同樣認識到了潛在的復雜性。如果加入太多元素,混合物就會變脆。因此,他發現,與其一種主要材料混合一兩個元素,為什么不用四五個甚至更多的元素等比混合?不同的原子有大量的可能性排列,從而出現高熵,如此消除了任何形成規律性能晶體結構的傾向。因為每一種隨意的混合元素都是不同尺寸的,不太可能相互滑動,從而創造出非常硬的材料。

            

            當然,這在當時是個奇怪的想法,即使在自己的實驗室,葉均蔚也未將之放到很高的優先級上。直到2004年其團隊才首次混合了5~10種元素,得到比不銹鋼更硬的合金。

            

            高熵合金領域得到了快速發展。2009年,張勇報道了一種含鈷、鉻、銅、鐵、鎳、鋁的合金,比純鋁硬14倍,韌性達近3倍。2011年,葉均蔚報道了鈷、鉻、鐵、鎳、鋁、鈦合金的抗磨性能是普通抗磨鋼的兩倍。2014年,George及其團隊研究的鈷、鉻、鐵、鎂、鎳合金在液氮溫度下也不會變脆。該材料適用于天然氣管道和航天器等低溫設備。

            

            另外,美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室與橡樹嶺國家實驗室合作開發出一種叫作鉻錳鐵鈷鎳的高熵合金,經檢測它不僅是現有記錄的最硬材料之一,而且在低溫下強度、延展性反而提高。

            

            研究人員表示,鉻錳鐵鈷鎳合金能在低溫下表現出非凡的強度、延展性和硬度,關鍵在于一種“納米結對”效應,也就是在變形過程中,相鄰晶格區的原子排列彼此形成鏡像結構。伯克利實驗室材料學家羅伯特·里奇說:“這表明它除了具有大部分金屬在環境溫度下具有的平滑錯位機制,還有一種塑性機制。在低溫下,材料經受了塑性變形產生了納米結對,結果就是連續的機械硬化,以此來遏制早期破壞造成的局部變形?!?/p>

            

            傳統合金制造方法的一個不變特征是,一種元素做主成分,其余為少量添加,其機械性能通常依靠出現第二種相態?!案哽睾辖饛母旧线`反了傳統方法,它的性質并非來自合金中的每種成分或第二種相態?!崩锲嬲f,“高熵這一概念意味著,隨著合金成分元素的增加,其位形熵也增加,也就抵消了它們形成化合物,變成單相態材料(如純金屬)的趨勢?!?/p>

            

            選擇太多

            

            大量的可能性是高熵合金的優點,但也是研究人員的最大挑戰。Miracle認為,元素周期表上有超過80種金屬元素,“合金太多而無法一一測試,也沒有足夠的時間去測試”。

            

            在為航空器引擎和飛機研究高熵合金時,他在搜尋更輕、更耐腐蝕,并能在高溫下保持強度的材料。經過大量測試,Miracle將范圍縮小到鈮、鉭、鉻等金屬,因為它們的熔點很高。

            

            里奇還指出,鉻錳鐵鈷鎳合金及其他高熵合金的機械性質尚未達到最優化,它們可能還有更好的性質?!坝捎诟哽睾辖鹗菃我幌鄳B,我們推測它們用在低溫下可能非常理想,比如存儲液化天然氣、氫氣和氧氣?!彼f。

            

            另外,科學家正試著重復目前已經有很好了解的合金的性能。例如,有些鋼材不僅僅是隨機的原子混合,而且在快速冷卻時形成了小型的化合物結節。盡管這種化合物的穩定性不如隨機混合物,但表現出比鋼更高的彈性。美國麻省理工學院金屬學家Cem Tasan曾將鐵、鎂、鈷、鉻混合進高熵合金,得到了極高的硬度和彈性,而它們的性能看起來似乎是完全相反的。Tasan 認為“放棄任何我們知道的知識都是不明智的”。

            

            埃姆斯實驗室的迷你摩天樓意味著另一種更系統化的方法。該設備可在1個小時內建造30個合金柱,每個柱子的原材料只有細微差別,如此研究者可以快速測試合金的性能。該實驗室材料科學家Matthew Kramer正在主導一項研究:尋找可以抵御高溫和腐蝕的高熵合金,以幫助火電廠在高溫下更有效運作。

            

            而該實驗室理論學家Duane Johnson負責協助該團隊。1995年,Johnson發明了一套運算法則,在傳統合金制造出來前就能預測其性能。2015年,他擴展了適用高熵合金的算法。Johnson的算法能評定一個元素到何種程度就會被另一個吸引或者排斥,然后利用這個信息預測元素的混合是形成化合物、固溶體或兩者都有。如此讓Kramer團隊確定哪種合金值得一試。然后,實驗數據能反饋給Johnson以修正該算法,提高準確性。

            

            目前,高熵合金領域前進的道路上有大量障礙。人們當下的關注點是提高結構性能,但對于導電性或磁性等特殊功能性合金則沒有多少關注。

            

            盡管如此,還有大量的可能性需要探索,尤其是科學家開始擴展最初對高熵合金的界定。包括Tasan、葉均蔚在內的諸多科學家,已經開始實驗混合大量元素但不是等比的效果。初步結果顯示,大多數合金仍然保持了高熵合金的性能。

            

            “我們現在有更豐富的領域要探索了?!盙eorge說。(張章)

            

            《中國科學報》 (2016-06-23 第3版 國際)


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