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» 金屬材料從發現金、銀、銅等貴金屬開始，發展到現代的各類合金，隨元素週期表完善且傳統製程方法已達極限，合金的性能難以再突破。
» 葉均蔚開創了新合金概念——高熵合金，它是由多種主要元素組成的新型合金，改變傳統合金只有單一主要金屬元素的設計，為合金全帶來新的性能及時代。
» 高熵合金為金屬材料開啟廣闊的發展空間，在特殊合金、超硬合金、耐溫耐磨耐蝕極端合金、生醫合金、航太合金等領域都有很大的應用潛力。

「高熵合金」（high-entropy alloys）相信是個對許多人來說相當陌生的名詞，但它其實是由一位臺灣的材料學家創造的詞彙。高熵合金不僅作為一種金屬材料的集合名稱，更是材料學中一種全新的設計概念。它宛如一把打開材料新世界的鑰匙，為全球材料學家帶來嶄新且廣闊的視野。這期《科學月刊》有幸拜訪這位學者——清華大學材料科學工程系教授葉均蔚，請他帶領我們進入這場探索金屬材料極限的旅程。

合金

材料學，是一門探索物質結構和性能的跨領域科學。從工業革命開始，人類不斷發現並命名各種新的物質，每當有一樣新的物質被發現，人們便開始著手研究它們的特性和用途。隨著科技的進展，我們知道物質由元素組成，且具有不同的晶體、微觀及巨觀結構，以及這些結構與材料性質之間的關係。透過成分的設計及合成，以及物理、化學製程的搭配科學家製造出許多性質各異、各有應用的材料。如今，地球上各種元素幾乎都被發現、利用、製作成材料，並應用到生活中。不過，當科學家逐漸完成代表地球上物質的元素週期表，並且嘗試各種元素的選擇及成分設計，新材料的發展開始出現瓶頸。

其中，金屬材料常因性能不足，在應用發展上受到限制。金屬的特性是延展性佳、容易導電與導熱，若要在保持此特性的同時發展新的材料形式，科學家想到的便是開發製造新「合金」。合金是指以金屬元素為主的混合物，透過在單一金屬元素中添加其它元素，便可以改變此材料的特質。葉均蔚解釋：「傳統合金的概念是以一個主要金屬元素為基底，再添加一些其他的元素增加它的強度、提高它的耐腐蝕性等，讓我們得到更好的材料性質，或是讓材料有更多的價值。」

事實上，合金早在數千年前就已經在人類文明中誕生。例如古代人學會從礦石中冶煉金屬後，便將銅和錫兩種金屬製作成合金，「青銅」便就此誕生；若是將銅與鋅結合，則能夠創造出「黃銅」。藉由不同新元素金屬的提煉生產，各種合金的製作隨著文明演進不斷推陳出新。至今，我們的日常生活乃至於整個人類社會的運轉，都與合金脫不了關係。

然而，如同前文所提，由於不再有新的金屬元素被發現，合金成分設計也因此受限。不過科學家的野心和好奇心讓他們不甘心止步於此，他們嘗試從製程去改變金屬的材質，葉均蔚最初也是其中一員。「從鑄造、加工等主要的製程去改變一些做法，也可以改良合金材料的特性，看看能不能讓性質再提升。」他舉例解釋，像是在材料表面上鍍一層不一樣的金屬，或是利用鍛製的手法改變合金形狀等，從後端的製造方式改善材料性質。不過，製程上的改變仍舊被一一嘗試完畢，雖然還有許多細節可以調整，但似乎很難再有重大突破。

打破合金傳統　高熵合金誕生

「我們一直在研究如何從製程去改善鋁合金、鋼鐵合金的性能，但總是感覺遇到了瓶頸。」葉均蔚說道，「那個時候，我覺得傳統的合金設計已經快要走到盡頭了。」由於看不見合金在未來的發展空間，這種困境促使他開始思考，到底該如何打破合金的限制？

「1995 年的某一天，我開車時突然有了靈感，」葉均蔚回憶道，「為什麼不能像調製綜合果汁一樣，把多種元素『等量』混合在一起呢？為什麼合金一定要以一種元素為主？」沒想到這個看似簡單的想法，卻徹底顛覆了傳統合金設計的理念。

然而，這個創新的理念在提出之初並未受到普遍認可。「很多人認為不可能，還說我發瘋了，」葉均蔚笑著說，「他們認為將這麼多元素混合在一起，一定會形成大量脆性化合物，根本無法製成有用的材料。」事實上過去也曾有科學家嘗試將多種元素混合成合金，但由於多種元素之間容易形成化合物，使得合金的延展性喪失，容易發生脆化、斷裂等狀況。因此過去的傳統合金一直是以單一種金屬元素為主要成分，再添加少量的其他元素來調整它的性質，而且主要金屬的比例常在80％以上。雖然額外添加數種元素，但仍須以一樣金屬元素為主體，才不至於使製造出的合金分崩離析。

葉均蔚透過果汁的比喻說明：「如果多種果汁添加在一起，不容易均勻地混合，或者某兩種特定的果汁，因彼此作用而形成結塊（形成化合物），那麼喝起來口感一定不好。自古以來，人們發現多種元素做成合金時，並不像綜合果汁一樣的混合均勻，而是形成大量脆性化合物。因此人類都是使用像在蘋果汁裡加一點檸檬汁的方式製作合金。不過，有那麼多種水果（金屬元素），真的所有組合都無法打成均勻的綜合果汁（合金）嗎？」

雖然不被看好，但葉均蔚並沒有因此退縮。他反而更努力地實驗，並經過大量的理論研究，挑戰多種金屬元素的組合和比例。終於，葉均蔚和團隊成功製造出以多個主要金屬元素合成的合金，並將這類合金命名為「高熵合金」。他們將高熵合金定義為「由五種或更多主要元素組成，每種元素的原子百分比在5 ～ 35% 之間」的新型合金。葉均蔚解釋道：「高熵合金與傳統合金以一種元素為主、其他元素作為少量添加劑的概念完全不同。」

……【更多內容請閱讀科學月刊第658期】