文章專區

Take Home Message
» 葉均蔚過去曾發明雙盤法和往復式擠型法，使合金達到極高冷卻速率和極端變形狀態，這些方法也為高熵合金的誕生奠定基礎。
» 高熵合金的概念起源於葉均蔚對強度和韌性兼具的合金研究。他使用至少五種元素，且利用高混合熵增進固溶相形成，避免複雜的化合物產生。
» 高熵合金具備高熵效應、緩慢擴散、嚴重晶格畸變、雞尾酒效應這四大核心效應，此概念也擴展到高熵陶瓷和材料，開創了新的材料研究領域。

很多學者問筆者，是什麼樣的研究背景才能想出高熵合金（high-entropy alloys）的創意，當初又是如何由零開始探索，逐步開發成世界首創的新材料領域。筆者想在這裡藉由文字，與讀者分享並一同回顧這段歷程。

製造兼具韌性及強度的合金

筆者的碩士及博士論文，有幸由獲得京都大學博士學位後、返國任職於清大材料科學工程學系的劉國雄教授指導。從碩士班開始，筆者便著手研究奈米析出硬化的7000 系列高強度鋁合金（圖一）。1980 年，筆者以〈鋁鋅鎂合金熱機處理強化效果和韌性之研究〉作為碩士論文題目。然而，筆者在研究過程中發現，用於晶粒細化的中段熱機處理，以及用於細化析出物的末段熱機處理，對於改善7000 合金的機械性能並沒有顯著的效果。這使筆者意識到，如何保持合金材料的高強度並進一步提高韌性，才是一個更為重要的議題。因此在就讀博士班時轉而專注於研究析出硬化鋁合金的韌化機理，並於1986 年完成博士論文〈析出強化鋁合金韌性及斷裂機構〉。

在碩士和博士求學生涯中，筆者學到最重要的概念是對於結構材料的應用，不僅強度很重要，韌性也同樣重要，我們應追求強度和韌性都優於傳統合金的技術。此外， 筆者也了解到夾雜物（inclusions）、散布顆粒（dispersoids）、析出物（precipitates）、顆粒的細化與均勻性，可有效提高強度和韌性的組合。

雙盤法與往復式擠型法

1986 年獲得博士學位後，筆者成為了一名副教授，且在1989 年開發雙盤法，實現了每秒106 ～ 109 K（Kelvin，克耳文）的極高冷卻速率，並獲得了四個國家的專利。雙盤法是指利用小圓盤的離心力將流下的鋁（Al）熔湯從圓盤邊緣甩出、霧化，接著透過具有倒圓錐形表面的大圓盤將霧化的液滴展開成竹葉狀的薄片，達到急速冷卻，最後將它從圓盤表面甩走。由於液滴就像子彈，當液滴在有水冷卻的圓盤基材表面上高速撞擊、展開，就會導致非常高的冷卻速率，以及極細的次微米晶粒微結構。竹葉狀薄片的厚度僅有約50 微米（μm）。

然而，筆者當時也發現雙盤法在工業化應用的瓶頸。第一個缺點是竹葉狀的結構會使顆粒的粉末流動性變低，因此難以流入模具中加壓成型。第二個缺點是表面積大，提高了汙染的機率，使固結產品中的雜質和夾雜物更多。此外，在燒結和熱擠壓的固結過程獲得固體塊材中，次微米晶粒和析出物會變得粗大化，這就失去了從極高冷卻速率中獲得的微觀組織細度的原始優點。

筆者不滿足於雙盤法的處理技術，因此在1992 年發明往復式擠型法，以獲得極端變形狀態，但仍能保持合金材料原始的塊狀形式。

……【更多內容請閱讀科學月刊第658期】