城大超納工程技術成功提升結構材料強度和延展性

香港城市大學（城大）領導的研究團隊早前首創發明超納鎂合金雙相材料，最近再下一城，成功以超納工程技術研發出大量兼備高強度與高延展性的結構材料。

有關研究已於國際學術期刊《科學》發表，題為「通過短程有序界面及超納析出物研製延展性達2.6-GPa的合金」。城大團隊有關鎂合金的研究成果獲選為2017 年 5 月4日《自然》期刊的封面故事。

城大工學院院長呂堅教授表示，城大領導的研究團隊要破解的終極研究難題是，如何以鋼或鈦等金屬製成高強度和高延展性的材料。

呂教授說：「如要造出強度及延展性更高的材料，必須先克服合金會隨時間而出現無法避免的應變硬化能力下降問題。」

團隊採用獨特方法對超納級（尺寸小於10納米）的超細晶粒合金進行實驗，成功控制晶粒內部及晶界的排序和設計。

呂教授解釋說：「我們曾以鎂合金進行實驗，但這次研究計劃是以多種金屬合成的材料作為實驗對象。」呂教授團隊的三個合作課題組負責人是曾在該組參與超納雙相研究的城大博士生與博士後，現於西安交通大學不同實驗室擔任教授及團隊負責人。

他們發現超納排序有助提高合金應對持續增加的拉伸應力，令合金的應變幅度達10%（相等於2.6-GPa）的時候才開始斷裂。

他續說：「即使是納米超細晶粒合金，其抗拉強度一般亦不會高於1.5至2GPa。」

呂教授指出，團隊發現超納排序對合金的位錯和層錯移動可產生較強的釘扎效應，令其移動變慢，從而增加了它們與其他可移動的位錯作出互動和互纏的可能性，使合金負載時所產生的缺陷增加、積累。

呂教授說：「由於晶粒內部的超納排序分佈所含析出物極為整齊，因此所形成的缺陷分佈也十分均匀。這樣有助緩減壓力積聚於某一點，令強度與延展性均勻互補，從而提升合金的應變硬化能力率及拉伸幅度。」

相關超納工程技術經過微調後，將可進一步提升不同材料的強度和延展性，拓寬超強合金的應用範圍，涵蓋航天、汽車、3C（電腦、通訊和消費電子產品）產業，以至建築工程等。

上述研究計劃獲「國家自然科學基金委員會及研究資助局聯合科研資助基金」計劃與「國家自然科學基金委員會」撥款資助。