颠覆定律！城大发现超弹性高熵艾林瓦合金，具潜力应用于航天工程

金属一般在加热时会膨胀并软化，不过由香港城市大学（城大）学者及其他研究人员领导的团队，便首次发现了一种超弹性合金会反其道而行，即使被加热至1,000K（约726.85°C）甚至更高温仍能维持刚度（stiffness），更几乎没有能量耗损。研究团队相信，该合金可以用于制作航天任务所需的高精准度装置。

该研究团队由城大机械工程学系（MNE）杨勇教授与合作的研究人员共同领导。研究结果已于最新一期国际权威学术期刊《自然》（Nature）上发表，题为〈A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy〉。

一般来说，大部分固体包括金属由于遇热时会膨胀，因此它们的弹性模量（elastic modulus，即刚度）会随着温度上升而下降。但杨教授和团队却发现一种化学组成为Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀的高熵合金（以下简称为“高熵艾林瓦合金”），会出现“艾林瓦效应（Elinvar effect）”，即合金于大幅度的温度改变中，仍能维持其弹性模量。

杨教授说：“将上述合金加热至1,000K（约726.85°C）甚至更高温后，它的刚度与室温时一样，甚至更刚硬了一点，而且膨胀时也没有出现任何明显的相变（phase transition）。这颠覆了我们认为金属通常会在受热膨胀时变软的一贯认知。”

他解释这是意外的发现，并说：“我们团队早在2017年已发现了此现象，于是花上数年时间尝试了解为何它的刚度没有随着温度上升而改变的潜藏机理。”实验证明，该合金即使被加热到1,273K（1,000°C）并维持不同时间后再慢慢冷却，其微观结构和机械性能都不受影响。

杨教授说：“这意味着该合金的刚度不会随温度而变化。在翻查文献后，至今并无发现有任何相关文献记载过金属会出现这种现象，这意味着我们首次发现这个现象。”

特殊的晶格结构衍生罕见特性

杨教授和团队近日更拆解了高熵艾林瓦合金出现这种现象的原因，原来是因为它拥有一种特殊、高度扭曲的晶格结构（highly distorted lattice structure），以及相当复杂的原子级化学元素分布。由于结合了独特的结构特征，这种高熵艾林瓦合金具有非常高的能量势垒（energy barrier），阻止了位错移动（dislocation movements），因此展现出极佳的弹性应变极限，和近乎100%的储能能力（energy storage capacity）。

研究团队还发现，块状的高熵艾林瓦合金在室温时，可以达到约2%的弹性极限（即金属材料在出现永久变形前，可承受的最大弹性应变）；相反，传统的结晶合金的弹性极限一般都少于1%，两者形成鲜明的对比。

虽然与高熵艾林瓦合金成份类似的合金，早在几年前已面世，但科学界当时尚未弄清楚其结构和行为。在今次研究中，杨教授和团队为该合金制作了三种元素原子分布各有不同的原子结构模型，并比较了三者的特性。团队对该合金系统作出系统性的研究，并为发现申请了专利。

有趣的是，团队发现高熵艾林瓦合金非常有弹力，并可以储存大量的弹性能（elastic energy）。杨教授指出这种合金可用于储存能量，以便之后能量转换。他解释说：“由于弹性不会耗散能量，所以不会产生热能而令装置发热故障，因此这种超弹性合金适用于制作高精准度的装置，例如表和精密计时器等。”

_{研究团队比较钢珠弹在（左起）高熵艾林瓦合金、Cu50Zr45Al5、铝化镍合金、以及市面上买到的不锈钢表面的弹跳情况，结果发现高熵艾林瓦合金弹性最好。（DOI number: 10.1038/s41586-021-04309-1）}

研究团队预视这种合金可具备多种应用，特别是用于预计要应付急剧温度变化的航天工程装置和机械。杨教授说：“月球表面温度可高至122°C及低至零下232°C，但高熵艾林瓦合金于极端环境中仍能保持坚固和完整，因此非常适合应用于太空任务中，需在巨大温差环境下运行的机械精密计时器。”

杨教授、David Joseph Srolovitz教授（前城大学者，现职于香港大学）及来自中央研究院的包淳伟教授是研究论文的通讯作者。城大MNE的赫全锋博士（杨教授曾指导的博士生）、王建国博士（杨教授曾指导的博士后）及来自中央研究院的陈信安博士（包教授曾指导的博士生）为第一作者。

香港城市大学工学院杰出教授、香港高等研究院资深院士刘锦川教授，城大物理学系的任洋教授，以及城大的栾军华博士、丁肇夷博士、乔吉超博士以及周子清先生亦有参与这次研究。

研究的其他主要合作学者包括北京高压科学研究中心的曾桥石教授，和里昂大学的Jean-Marc Pelletier教授。

是次研究获得城大、香港研究资助局、广东省基础与应用基础研究重大项目，和中央研究院的前瞻计划的资助而进行。

DOI number: 10.1038/s41586-021-04309-1

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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