理大学者研发新型极低温金属材料 突破「冷脆性」樽颈 为深空与深海探测提供关键材料

用于极低温环境的金属，不但要坚固，还要保持极高的强度、韧性及稳定性，才能用于航空航天、绿色能源、超导系统及深空探索等设备。然而，传统合金在极低温环境下，往往因「强度—塑性—韧性」难以并存而令性能骤降。在极低温情况下，金属虽然变得更坚固，但同时变得更脆和容易断裂，历史上著名的铁达尼号沉没事故即为低温脆断的典型例证。这种「冷脆性」弱点，是目前窒碍深海与深空探测发展的樽颈难题。

由理大工业及系统工程学系助理教授陈子斌教授带领的研究团队，在这方面取得两项突破性进展。团队采用创新纳米界面策略，透过调整金属内部极微细的结构，成功研发出新型金属材料，能在极低温（即77K，相当于-196°C）下同时展现出前所未有的超高强度、塑性与韧性。在此基础上，团队进一步结合增材制造（3D打印）与特制后续处理技术，设计出全新纳米结构调控策略。这两项崭新的研究成果先后发表于国际权威期刊《自然‧通讯》（Nature Communications），为新一代深海与深空探测装备提供了高性能且可量产的材料基础。

「负曲率界面」策略

为破解合金冷脆性弱点这一长期难题，陈教授及其团队在合金中首创「负曲率界面」（Negative-Curvature Interface）调控策略，透过改变合金内部纳米级微粒的表面形状，让材料既能承受巨大力量，又能在受力时适度变形，减低突然断裂的机会。团队研发出由镍、钴、铬、铝及钽（NiCoCr-AlTa）组成的多主元合金，在液氮极低温度下达到了前所未有的强塑韧性组合，为低温合金的性能树立全新标准。此外，此合金可透过传统的熔炼、轧制及短时效处理，毋须依赖复杂的新制造方法，为日后的大规模生产和应用奠定了坚实基础。团队下一步将验证工业级尺寸样本，目标是在未来十年内将研究成果转化为商业应用。

陈子斌教授表示：「『负曲率界面』调控策略从材料内部的沉淀相（散布在金属内部的微小颗粒）着手，从以往被动增加材料强度，进展为主动调控材料于受力下变形的活性因子。这一概念适用于所有沉淀硬化合金体系，包括超合金、时效硬化钢及铝合金。这项研究为先进材料设计开辟了全新维度，并为工业应用提供了具成本效益且可量产的高性能结构材料设计路径。」

这项设计的灵感，来自纳米颗粒粗化过程中能量演化规律。研究团队从材料的纳米层面入手，提出在「共格纳米沉淀相」上构建「负曲率界面」的新思路，在合金内部微粒的表面构建特殊的弯曲界面，令材料内部结构能产生改变。当材料受力变形时，出现大量细微的结构缺陷，于合金内部形成一层层规律排列的「分级层错」，加强材料的性能。理大配备先进「像差校正透射电子显微镜」及力学性能测试系统，有助团队观察及分析这些新型微观结构的表征与评估其力学性能。

这些密集的「分级层错」显著增强了材料的加工硬化能力与耐损程度。因此，研究团队所设计由镍、钴、铬、铝及钽组成的多主元合金展现出打破已知低温合金纪录的极低温力学性能：屈服强度约 1.30 Gpa、极限抗拉强度约 1.80 GPa、拉伸延伸率达50%、及断裂韧性高达约213 MPa·m^¹/²。

该突破性研究题为「负曲率界面赋予合金在77K下高度协同的强度—延展性—韧性」，已发表于《自然‧通讯》，标志着极端探测领域低温结构材料发展的重大里程碑。

3D 打印与「分级纳米有序化」策略

在另一项同样发表于《自然‧通讯》的突破性研究，以「分级纳米有序结构赋予中熵合金卓越的低温强度—延展性协同效应」为题 ，陈教授团队将增材制造（3D打印）与特定后续处理技术结合，在镍钴铬（NiCoCr）基合金中构建出「分级纳米有序结构」。该策略依次激活各个位错源，达至协同加工硬化，越受力越强韧，令材料在液氮极低温下展现出破纪录的超高强度：屈服强度约 2.0 GPa、极限抗拉强度约 2.4 GPa、均匀拉伸延伸率达22%。研究团队目标是验证工业级大尺寸的部件，争取在未来五年内推展至商业应用。

陈教授补充道：「这项研究为微观结构设计策略奠定了基础，并为充分发挥材料力学性能建立了一套可行框架。透过结合崭新的制造方法与传统加工技术，我们证明了材料性能可以突破传统制造方法的极限。此外，此创新构思亦扩展了3D打印技术在微观结构设计中的应用范围，印证了其在材料科学领域的应用价值。」

陈子斌教授为2022年理大「青年创新研究者奖」得主，担任超精密加工技术全国重点实验室核心成员。陈教授的主要研究方向为设计兼具卓越结构、功能与应用性能的可持续材料，并解决不同材料体系中的实际工程挑战。他在研发低合金、低成本且高性能的可持续金属合金，以及用于能量储存与压电应用的破纪录铁电材料方面的研究，获得国际广泛关注。

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