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再造元素週期表新生命--高熵合金

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再造元素週期表新生命--高熵合金
  • 作者

    葉均蔚
  • 簡介

    葉均蔚教授於1980年取得清華大學材料科學工程系博士,2017年成為特聘教授,並兼高熵材料研發中心主任。2000年獲教育部產學合作獎; 2003年獲侯金堆傑出獎; 2015年獲中國材料科學學會會士; 2016年獲科技部傑出研究獎; 2017年獲陸志鴻紀念獎章; 2019年獲中技社科學貢獻獎及美國高熵合金高峰會的非凡貢獻獎(Exceptional Contribution); 2020年獲第二十七屆東元獎,專長包括傳統合金與高熵合金,目前致力於高熵合金研發及產業化。

  • 單位

    國立清華大學
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  自古以來,材料的製造都存在牢不可破的迷思:認為當合金元素添加種類越多比例越高時,越難熔合,即使熔合,也會形成大量脆性化合物,變得一無是處。清華大學材料科學工程學系葉均蔚教授於1995年逆向思考,認為多元素下會產生高熵效應,促進融合,旋即他在無論文及書籍參考下,探索前進開疆闢土,於第9年(2004年)正式發表高熵合金(High-Entropy Alloys)概念的論文及另4篇高熵合金論文,迄今已發表140餘篇論文,他不僅為之取名高熵合金,更定義高熵合金為五種以上的主元素混合,每個主元素原子百分比介於5%至35%之間,每個次元素小於5%。他因而開啟了「高熵合金」新領域,全球高熵論文呈指數成長,至2020年10月已超過5,500篇,因此他的新配方觀念,賦予了元素週期表新生命,產生無限的配方組合及性質。目前他進一步將高熵合金導入產業界,應用於航太、高端機械、民生等產業,以突破瓶頸、增加效率、降低成本及節約資源。


高熵材料可應用產業及實際產品
高熵材料可應用產業及實際產品

 

材料為工業科技之母,高熵合金創造材料新紀元

  “高熵合金”為革命性的合金觀念,翻轉自古以來以一個元素為主的配方觀念,顛覆合金元素越多,越容易脆化的迷思,此材料新領域,源於臺灣清華大學葉均蔚教授1995年的發明,他為“高熵合金(High-entropy alloys)”命名、定義,更論述高熵合金基本原理及四項核心效應:高熵、緩慢擴散、晶格扭曲以及雞尾酒效應,此新配方觀念下的合金可展現特殊優異性質,突破傳統材料的瓶頸,包括性能不足、成本昂貴或製程有危害人體等,並獲得臺灣、中國大陸及日本發明專利。

 

Nature報導肯定高熵合金源於臺灣

  葉均蔚教授與其團隊於1995年至2003年間累積大量研究數據及成果,2004年首度公開發表5篇高熵合金論文,爾後,每年平均發表10篇高熵合金論文,此發明自2004年發表後隨即引發世人重視及跟進,於2012年起高熵合金及相關材料論文呈現指數性成長,如圖1,2016年Nature更對高熵合金做專題報導「金屬調酒學-合成更強更韌更延合金」。此報導肯定了高熵合金新領域,且肯定了臺灣為發源地的事實。

 

成立世界第一個高熵材料研發中心

  2018年在科技部及教育部補助下,成立世界第一個高熵材料研發中心。共有30位教授參與不同主題的研究,不但追求學術卓越且落實產業之應用。高熵合金更被證實可具備比商用傳統合金更高硬度、耐溫、耐磨耗、抗腐蝕、抗沾黏及低成本等特性,因而可應用於民生、智慧機械、綠能科技、國防、航太等產業。

 

高熵材料的產業化

  2020年7月科技部補助價值創造計畫,衍生創立高熵材料科技公司,以將高熵材料科技商業化,供應高熵材料給產業界,突破產業界面臨的傳統材料瓶頸,提高競爭力及擴大市場應用層面。所選定的高熵產品如下(如圖2):

  1. 極端高熵合金線性滑軌之滑塊可取代傳統滑塊材料。
  2. 極端高熵合金油井軸承可取代傳統鈷基合金,廣泛應用在鑽油井、化工、地熱及相關產業。
  3. 極端高熵合金所製擠型模可用為1500℃以上高熔點合金之熱擠型。
  4. 高熵無火花合金所製工具,其產品性價比高且無毒性,可取代現行使用具高毒性且昂貴的鈹青銅防爆工具,用於易爆易燃的工作場所。
  5. 高熵抗菌合金可應用於民生刀具及後疫時代的抗菌欄杆、抗菌把手等。

圖1:全球每年高熵論文數成長曲線(至2020年9月底)
圖1:全球每年高熵論文數成長曲線(至2020年9月底)
 

圖2:高熵合金產品應用,左上為CNC加工機臺用第四軸蝸輪、左下為高熵抗菌刀、右上為極端高熵合金油井軸承、右下為無鈹無火花工具。
圖2:高熵合金產品應用,左上為CNC加工機臺用第四軸蝸輪、左下為高熵抗菌刀、右上為極端高熵合金油井軸承、右下為無鈹無火花工具。

 

 延伸閱讀-科技部(科技大觀園) 

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