本實驗室主要研究的主題為高熵合金與異構材料
以下研究主題介紹由博士班學生恩誠、書毅撰寫
歷史學家將史前時代分為石器、青銅器與鐵器時代,由此可知金屬材料的開發往往會大幅改變當前的社會發展。然而不論是史前時代的青銅器、鐵器,甚至近代社會的鋁合金、鈦合金,通常都是由一種基底元素(銅、鐵…等)構成,此主要元素往往會占合金成份的70%或是更高。經過幾千年的發展後,這種以單一主元素出發來設計合金的概念逐漸達到其極限,要開發出新的優異合金需要越來越長的時間。於是清大葉均蔚教授提出將五種或更多元素組合在一起,卻不讓任一元素高於35 at.%,使合金含有多種主要元素,而非由單一基底元素構成的合金。這種突破性的合金設計觀念,就是所謂的 “高熵合金”。
圖1 傳統合金與多元合金的晶體組成比較示意圖
高熵合金可具有很多優異性質:
極佳的強度與韌性,如圖2,(FeCoNi)86-Al7Ti7合金在室溫具有令人驚異的超高強度及延展性。
極高高溫強度,見圖3,兩種高熵合金到1600°C降伏強度都還超過400 MPa,這溫度很多耐溫金屬都已經熔化成液態了。
超耐磨,一般而言,硬度越高,才會越耐磨。然而高熵合金的硬度明顯比SKH51低,磨耗阻抗卻是SKH51的兩倍,可說非常罕見。如圖4即顯示AlxCo1.5CrFeNi1.5Tiy高熵合金與兩種商用耐磨合金的硬度與磨耗阻抗。
耐腐蝕與氧化
高熱穩定性
圖2 (FeCoNi)86-Al7Ti7合金在室溫具有令人驚異的超高強度及延展性
Ref: Science 362 (2018) 933-937
圖3 高熵合金與傳統耐磨合金的硬度對磨耗阻抗圖
Ref: Acta Materialia 59 (2011) 6308–6317
圖4 高熵合金與兩種商用超合金的的降伏強度隨溫度變化曲線
Ref: Intermetallics 19 (2011) 698-706
由於高熵合金具備優異性質,近五年相關研究大量在各著名期刊發表,這些研究都來自各國頂尖研究機構與國際頂尖學者。
高熵合金相關研究的比例成長速度驚人,並發表於一流期刊:
高熵合金領域相關研究每年的研究發表數目,自 2013 起,相關發表就呈指數型成長。僅 2019 年就已有 918 篇相關研究
各大指標材料國際會議均有高熵材料專屬研討會:
目前MS&T, TMS, MRS等大型年會都已舉辦高熵合金獨立的研討會,顯示高熵材料已成為一重要獨立學門。2016年我國主辦了首屆國際高熵材料研討會(International Conference on High-Entropy Materials, ICHEM 2016)、2018年在韓國濟州島舉辦了第二屆、2019年在TMS 學會架構下,於美國主辦了高熵合金會議 World Congress on High Entropy Alloys (HEA2019)。
美國、德國、中國、日本大量投入經費:
美國: 自 2011 年開始便開始補助高熵合金的研究,其中 NSF 更補助了美國-澳洲的跨國大型計畫要進行輕量高熵合金的研究。
德國: 自 2016 年起在六年內投入十幾億台幣加碼高熵合金研究。
中國: 有超過 30 個單位在研究高熵合金,是目前高熵合金研究大國之一。
日本: 在 2018 年通過五年、含二十餘個子計畫之大型專案計畫,投入高熵相關的研究。
報導:
Nature 更於 2016 年對高熵合金做專題報導 “Mixed-up metals make for stronger, tougher, stretchier alloys”,此報導肯定高熵這個新領域,並強調發源自台灣。
一個研究領域由台灣發明,並受到全球的重視,可說難能可貴。況且,台灣在此領域仍屬於國際領先群之中。因此,在台灣做高熵合金研究,是個很好的選擇。一方面能做最先進的研究,二方面你也能對台灣少數的原創領域有所貢獻。
高熵合金概念看似簡單,但這麼多種元素,要挑哪些來做高熵合金才會有想要的性質出來?合金內的相組成及微結構會嚴重影響合金的性質,因此本實驗室一個重要的研究方向為高熵合金的成相法則:
高熵合金介金屬相的成相規律 – 介金屬相經常被用來提升合金各種性質,但對於高熵合金內的介金屬相的研究卻非常艱難。本實驗室已在2017年提出高熵合金中介金屬相的普遍選擇機制,此法則說明各種介金屬結構各自有其允許的組成原子大小差異範圍(如圖5)。
耐火高熵合金之設計與開發 – 本實驗室目前正在開發耐火高熵合金,此材料的高溫強度比鎳基超合金更高,對高溫應用極具潛力。
圖 5 八種常見 TCP 介金屬相允許的原子大小差異範圍
Ref: Journal of Alloys and Compounds 695 (2017) 1479-1487
另外,我們也研究高熵合金的機械性質:
新型異質結構高熵合金 – 透過在高熵合金中引入異質結構,在合金內產生硬域與軟域,透過兩者的交互作用,使高熵合金能擁有優良的強度延性組合 (如圖6)。
析出硬化型高熵合金 – 透過適當合金設計與熱處理,在高熵合金中產生析出物,形成析出強化。本實驗室目前已成功開發出一款性質優異的析出硬化型高熵合金,同時兼具高強度及高延展性(如圖7)。
圖6 背向散射電子繞射分析下,可看出個晶粒之方位關係,並利用穿透式電子顯微鏡分析缺陷行為。異質合金表現出較均質態與超細晶態更加優異之性質
圖7 合金在穿透式電子顯微鏡的明、暗視野中,觀察到奈米級球狀析出物。合金表現出優異機械性質,其性質勝過大部分商用合金。
本實驗室目前成員有碩士班與博士班,相處氣氛融洽,常有聚餐等行程。實驗室的資源充足,除國科會計畫外,也與美國、德國、香港、印度等多個單位有合作。我們的研究主題相當新穎,畢業生就業選擇多元,除了各大科技公司如台積電、美光等之外,也有應聘於財團法人研究單位和上市櫃的大型傳統產業公司。
本實驗室訓練著重於解決問題能力與時間管理能力,碩一生會與碩二生、博士生合作,一起進行研究,學會實驗手法並培養合作能力。基礎實驗能力達標後,會開始要求獨立解決問題,從中學習解決問題的邏輯與方法,
此外,會要求你在遇到各個任務時預估所需時間與最後完成日期,讓你練習有目標有計畫的運用自己的時間。
每周固定舉辦實驗室會議,訓練簡報口條以及做投影片之能力。透過與學長姊、老師的相互討論,從而瞭解不同人的思維,進而完善自己的研究
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歡迎你一起加入高熵合金的世界!