香港城市大學(xué)（城大）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出新策略，可製造出含無(wú)序界面納米層的多組元超晶格合金，這種合金於不同溫度下兼具高強(qiáng)度及延展性。

研究結(jié)果已在頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表，論文題為「超高強(qiáng)度及延展性：含納米級(jí)無(wú)序界面的超晶格合金」。

超晶格合金的原子為密排及有序的結(jié)構(gòu)，具備良好的化學(xué)結(jié)合強(qiáng)度及低原子流動(dòng)的特質(zhì)，因此適宜應(yīng)用於高溫環(huán)境使用的結(jié)構(gòu)材料，如航天、汽車、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)等工程領(lǐng)域及許多其他行業(yè)。

不過，其高度有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)卻令超晶格合金易於斷裂。

由城大工學(xué)院大學(xué)傑出教授劉錦川教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)了解決上述矛盾的新方法。

根據(jù)傳統(tǒng)智慧，添加微量（0.1至0.5原子百分?jǐn)?shù)，即atomic percent，以at. %標(biāo)示）的硼可以增強(qiáng)晶粒邊界（晶界）黏聚力，從而顯著改善拉伸延展性。不過，若添加多於0.5 at. %的硼，這個(gè)傳統(tǒng)方法則不會(huì)見效。研究團(tuán)隊(duì)想出在多組元合金添加大量的硼，結(jié)果出乎他們意料之外。

劉教授說(shuō)：「添加硼濃度至2.5 at. %後，我們合成的合金沿著晶界出現(xiàn)一層超薄的無(wú)序界面納米層。」

該超薄納米層含有數(shù)種基本合金元素，原子結(jié)構(gòu)是無(wú)序的，抑制了晶粒與晶粒之間變脆斷裂。

 

 

超晶格合金的基本結(jié)構(gòu)是由被稱為「晶粒」的個(gè)別晶體組成。這類合金常見的脆性斷裂，通常是由於在拉伸變形過程中，沿著晶界發(fā)生斷裂所致。

劉教授說(shuō)：「我們研製的超晶格合金在室溫下具有1.6 GPa的超高強(qiáng)度和25%的拉伸延展性，其延展性遠(yuǎn)高於預(yù)期?！笹Pa（十億帕斯卡）為壓力單位。

此外，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)即使在1050°C的高溫處理120小時(shí)後，晶粒尺寸增大的程度也不明顯，可說(shuō)是微不足道。

在高溫下，大部分傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的晶粒會(huì)快速增大，使結(jié)構(gòu)因受熱而變得不穩(wěn)定，材料強(qiáng)度隨之急降，嚴(yán)重影響其應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種納米層對(duì)於在高溫下抑制晶粒增大及保持其強(qiáng)度至關(guān)重要。無(wú)序納米層的熱穩(wěn)定性，令這種合金適合用作高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)材料。

發(fā)現(xiàn)合金中沿晶界的無(wú)序納米層，有利未來(lái)研發(fā)高強(qiáng)度材料，並為進(jìn)一步提升合金性能開拓新方向。

劉教授是論文的通訊作者。論文的共同第一作者是城大機(jī)械工程學(xué)系的楊濤博士和趙怡潞博士。其他來(lái)自城大的共同作者包括：材料科學(xué)講座教授兼香港高等研究院執(zhí)行院長(zhǎng)黃志青教授、核子工程講座教授開執(zhí)中教授、材料科學(xué)及工程學(xué)系李萬(wàn)鵬、以及三維原子探針聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室欒軍華博士。