發現神奇合金

主要要點

• 與大多數材料不同，這種新合金在高溫和低溫極端條件下能保持形狀並抵抗裂紋，這使它在高效航空引擎等要求苛刻的應用中具有潛在的適用性。

• 這種合金是有記錄以來最堅韌的材料之一，其抗裂紋能力與低溫鋼相當。

• 顯微鏡檢查顯示，材料結構中的一種類型缺陷，歷史上被認為促進斷裂，實際上則起到了相反的作用，並負責其高耐久性。

由鉬、鈮、鈦和鋨組成的一種金屬合金令材料科學家驚訝於其在極高和極低溫下的強度和韌性，以前看似幾乎不可能實現的這種特性組合。在這個背景下，強度被定義為材料在永久變形之前能承受的最大力，而韌性則是其抵抗斷裂（裂紋）的能力。這種合金在極端環境下的彎曲和斷裂的抗性，可能為下一代能夠以較高效率運行的引擎開辟了一種新型材料的可能性。

這個團隊由洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）和加州大學伯克利分校的羅伯特·瑞奇（Robert Ritchie）領導，並與UC爾灣的迪蘭·阿佩利安（Diran Apelian）教授和德克薩斯A&M大學的恩里克·拉維尼亞（Enrique Lavernia）教授的團隊合作，發現了該合金的驚人特性，並了解這些特性是如何源於原子結構中的相互作用。他們的研究成果於2024年4月11日發表在《科學》（Science）期刊上。

“將熱轉化為電力或推力的效率取決於燃料燃燒的溫度——越高越好。然而，操作溫度受限於必須承受這些溫度的結構材料，”該研究的首席作者、瑞奇實驗室的博士生大衛·庫克（David Cook）說。“我們已經耗盡了當前在高溫下使用的材料進一步優化的能力，並且對於新型金屬材料的需求非常迫切。這就是這種合金展現出潛力的地方。”

這項研究中的合金來自一種新型的金屬類別，稱為耐火高熵合金或中熵合金（RHEAs/RMEAs）。我們在商業或工業應用中看到的大多數金屬都是由一種主金屬與少量其他元素混合而成的合金，但RHEAs和RMEAs則是通過混合近似等量的具有非常高熔點的金屬元素製成的，這賦予它們獨特的特性，科學家們仍在揭示這些特性。瑞奇的團隊因為這些合金在高溫應用中的潛力而進行了多年的研究。

“我們的團隊之前對RHEAs和RMEAs進行了研究，我們發現這些材料非常強，但通常具有非常低的斷裂韌性，這就是為什麼我們在這種合金顯示出例外的高韌性時感到驚訝，”該研究的共同通訊作者、博士後研究員普尼特·庫馬（Punit Kumar）表示。

庫克指出，大多數RMEAs的斷裂韌性低於10 MPa√m，使其成為有記錄以來最脆的金屬之一。專門設計用以抵抗斷裂的最佳低溫鋼，其韌性約為這些材料的20倍。然而，這種錳、鈮、鈦和鋨（Nb45Ta25Ti15Hf15）的RMEA合金的韌性甚至超過了低溫鋼，室溫下的韌性比典型RMEAs高出25倍以上。

但引擎並不在室溫下運行。科學家們在五個不同的溫度下評估了這種合金的強度和韌性：-196°C（液態氮的溫度）、25°C（室溫）、800°C、950°C和1200°C。最後一個溫度約為太陽表面溫度的五分之一。

團隊發現，該合金在低溫下具有最高的強度，隨著溫度上升略有下降，但在整個範圍內仍然顯示出令人印象深刻的數據。斷裂韌性，即計算擴展材料中現有裂紋所需的力的指標，在所有溫度下均保持高水平。

揭示原子排列

幾乎所有金屬合金都是晶體狀，即材料內部的原子以重複單元的方式排列。然而，沒有晶體是完美的，所有晶體都含有缺陷。最顯著的移動缺陷稱為位錯（dislocation），這是晶體中未完成的原子平面。當施加力量於金屬時，這會導致許多位錯移動，以適應形狀的變化。例如，當您彎曲一個製成鋁的迴紋針時，迴紋針內部位錯的移動使得形狀變化得以發生。然而，在較低溫度下，位錯的移動變得更加困難，因此許多材料在低溫下會變得脆弱，因為位錯無法移動。這就是為什麼泰坦尼克號的鋼殼在撞上冰山時斷裂的原因。具有高熔點的元素及其合金則更加極端，許多即使在高達800°C的溫度下仍然保持脆性。然而，這種RMEA合金挑戰了這一趨勢，即使在低至液態氮（-196°C）的溫度下也能承受破裂。

為了了解這種非凡金屬內部發生了什麼，聯合研究員安德魯·邁諾（Andrew Minor）及其團隊使用位於伯克利實驗室分子鑄造廠的國家電子顯微鏡中心的四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）分析了受到應力的樣本和未彎曲、未開裂的對照樣本。

電子顯微鏡數據顯示，該合金的異常韌性來源於一種罕見缺陷的意外副作用，稱為“彎折帶”（kink band）。當施加的力量使晶體的條帶自我塌縮並突然彎曲時，彎折帶便會在晶體中形成。這些條帶彎曲的方向增加了位錯所受的力量，從而使其更容易移動。在大宗層面上，這一現象導致材料變得柔軟（這意味著當材料變形時，需要施加較少的力量）。團隊了解到，根據過去的研究，RMEAs中容易形成彎折帶，但他們假設這種柔軟的效應會使材料變得不那麼韌，因為這會使裂紋在晶格中擴展變得更容易。但實際上，情況並非如此。

“我們首次展示，在原子之間存在明顯裂紋的情況下，彎折帶實際上通過將損壞分配到裂紋之外來抵抗裂紋的擴展，從而防止斷裂並導致異常高的斷裂韌性，”庫克（Cook）說。

RMEA合金Nb45Ta25Ti15Hf15在用於製造噴氣式飛機渦輪或SpaceX火箭噴嘴之前需要經過更多的基礎研究和工程測試，瑞奇（Ritchie）表示，因為機械工程師在將材料應用於實際世界之前，正確地需要對它們的性能有深刻理解。然而，這項研究表明，這種金屬有潛力構建未來的引擎。

這項研究由來自伯克利實驗室、加州大學伯克利分校、太平洋西北國家實驗室和加州大學爾灣分校的科學家大衛·H·庫克（David H. Cook）、普尼特·庫馬（Punit Kumar）、馬德琳·I·佩恩（Madelyn I. Payne）、卡爾文·H·貝爾查（Calvin H. Belcher）、佩德羅·博爾赫斯（Pedro Borges）、王文青（Wenqing Wang）、弗林·沃爾什（Flynn Walsh）、李哲豪（Zehao Li）、阿倫·德瓦拉（Arun Devaraj）、張名偉（Mingwei Zhang）、馬克·阿斯塔（Mark Asta）、安德魯·M·邁諾（Andrew M. Minor）、恩里克·拉維尼亞（Enrique J. Lavernia）、迪蘭·阿佩利安（Diran Apelian）和羅伯特·O·瑞奇（Robert O. Ritchie）共同進行，該項目得到了美國能源部（DOE）科學辦公室的資助。實驗和計算分析是在分子鑄造廠和國家能源研究科學計算中心進行的，這兩者均為美國能源部科學辦公室的用戶設施。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。