理大學者研發新型極低溫金屬材料 突破「冷脆性」樽頸 為深空與深海探測提供關鍵材料

用於極低溫環境的金屬，不但要堅固，還要保持極高的強度、韌性及穩定性，才能用於航空航天、綠色能源、超導系統及深空探索等設備。然而，傳統合金在極低溫環境下，往往因「強度—塑性—韌性」難以並存而令性能驟降。在極低溫情況下，金屬雖然變得更堅固，但同時變得更脆和容易斷裂，歷史上著名的鐵達尼號沉沒事故即為低溫脆斷的典型例證。這種「冷脆性」弱點，是目前窒礙深海與深空探測發展的樽頸難題。

由理大工業及系統工程學系助理教授陳子斌教授帶領的研究團隊，在這方面取得兩項突破性進展。團隊採用創新納米界面策略，透過調整金屬內部極微細的結構，成功研發出新型金屬材料，能在極低溫（即77K，相當於-196°C）下同時展現出前所未有的超高強度、塑性與韌性。在此基礎上，團隊進一步結合增材製造（3D打印）與特製後續處理技術，設計出全新納米結構調控策略。這兩項嶄新的研究成果先後發表於國際權威期刊《自然‧通訊》（Nature Communications），為新一代深海與深空探測裝備提供了高性能且可量產的材料基礎。

「負曲率界面」策略

為破解合金冷脆性弱點這一長期難題，陳教授及其團隊在合金中首創「負曲率界面」（Negative-Curvature Interface）調控策略，透過改變合金內部納米級微粒的表面形狀，讓材料既能承受巨大力量，又能在受力時適度變形，減低突然斷裂的機會。團隊研發出由鎳、鈷、鉻、鋁及鉭（NiCoCr-AlTa）組成的多主元合金，在液氮極低溫度下達到了前所未有的強塑韌性組合，為低溫合金的性能樹立全新標準。此外，此合金可透過傳統的熔煉、軋製及短時效處理，毋須依賴複雜的新製造方法，為日後的大規模生產和應用奠定了堅實基礎。團隊下一步將驗證工業級尺寸樣本，目標是在未來十年內將研究成果轉化為商業應用。

陳子斌教授表示：「『負曲率界面』調控策略從材料內部的沉澱相（散佈在金屬內部的微小顆粒）著手，從以往被動增加材料強度，進展為主動調控材料於受力下變形的活性因子。這一概念適用於所有沉澱硬化合金體系，包括超合金、時效硬化鋼及鋁合金。這項研究為先進材料設計開闢了全新維度，並為工業應用提供了具成本效益且可量產的高性能結構材料設計路徑。」

這項設計的靈感，來自納米顆粒粗化過程中能量演化規律。研究團隊從材料的納米層面入手，提出在「共格納米沉澱相」上構建「負曲率界面」的新思路，在合金內部微粒的表面構建特殊的彎曲界面，令材料內部結構能產生改變。當材料受力變形時，出現大量細微的結構缺陷，於合金內部形成一層層規律排列的「分級層錯」，加強材料的性能。理大配備先進「像差校正透射電子顯微鏡」及力學性能測試系統，有助團隊觀察及分析這些新型微觀結構的表徵與評估其力學性能。

這些密集的「分級層錯」顯著增強了材料的加工硬化能力與耐損程度。因此，研究團隊所設計由鎳、鈷、鉻、鋁及鉭組成的多主元合金展現出打破已知低溫合金紀錄的極低溫力學性能：屈服強度約 1.30 Gpa、極限抗拉強度約 1.80 GPa、拉伸延伸率達50%、及斷裂韌性高達約213 MPa·m^¹/²。

該突破性研究題為「負曲率界面賦予合金在77K下高度協同的強度—延展性—韌性」，已發表於《自然‧通訊》，標誌著極端探測領域低溫結構材料發展的重大里程碑。

3D 打印與「分級納米有序化」策略

在另一項同樣發表於《自然‧通訊》的突破性研究，以「分級納米有序結構賦予中熵合金卓越的低溫強度—延展性協同效應」為題 ，陳教授團隊將增材製造（3D打印）與特定後續處理技術結合，在鎳鈷鉻（NiCoCr）基合金中構建出「分級納米有序結構」。該策略依次激活各個位錯源，達至協同加工硬化，越受力越強韌，令材料在液氮極低溫下展現出破紀錄的超高強度：屈服強度約 2.0 GPa、極限抗拉強度約 2.4 GPa、均勻拉伸延伸率達22%。研究團隊目標是驗證工業級大尺寸的部件，爭取在未來五年內推展至商業應用。

陳教授補充道：「這項研究為微觀結構設計策略奠定了基礎，並為充分發揮材料力學性能建立了一套可行框架。透過結合嶄新的製造方法與傳統加工技術，我們證明了材料性能可以突破傳統製造方法的極限。此外，此創新構思亦擴展了3D打印技術在微觀結構設計中的應用範圍，印證了其在材料科學領域的應用價值。」

陳子斌教授為2022年理大「青年創新研究者獎」得主，擔任超精密加工技術全國重點實驗室核心成員。陳教授的主要研究方向為設計兼具卓越結構、功能與應用性能的可持續材料，並解決不同材料體系中的實際工程挑戰。他在研發低合金、低成本且高性能的可持續金屬合金，以及用於能量儲存與壓電應用的破紀錄鐵電材料方面的研究，獲得國際廣泛關注。

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