煉出前所未見的合金

彭樂天

冶金配方數(shù)千年不變

世界上最古老的沉船殘骸位于土耳其南部海岸附近的海底，它在此已經(jīng)沉睡了3500年。船上的貨物并沒有金銀財(cái)寶，而是9噸銅和1噸錫。如果你湊巧知道青銅的冶煉配方，你就知道這船貨物的用途了。青銅就是按照銅和錫9：1的比例煉造的。3500年前正是西方青銅時(shí)代的中期，而青銅器最早已于6000年前出現(xiàn)。

時(shí)至今日，科技飛速發(fā)展，但人們冶金的基本配方仍未改變：以某種純金屬為主，加入少量其他元素，使得合金的某些性能得到強(qiáng)化，如青銅和鋼鐵。鋼鐵是現(xiàn)代社會(huì)的主導(dǎo)材料，從飛機(jī)到建筑，從武器到指甲剪，鋼鐵制品無處不在，但它的冶金配方基本沿用了它在公元前13世紀(jì)出現(xiàn)時(shí)就采用的方式：鐵與少量的碳、硅、錳、磷、硫等元素合成。

我們?yōu)槭裁葱枰鸭兘饘僖睙挸珊辖鹉兀恳驗(yàn)楹辖鸶訄?jiān)硬。純金屬中的原子層可以輕易地相互穿梭，從而表現(xiàn)出柔軟的特性。如果有其他元素的原子介入，原有的原子層受到干擾，原子間的穿梭被阻斷，金屬的性質(zhì)就表現(xiàn)得更加堅(jiān)硬。

但材料有一個(gè)規(guī)律，一般而言，硬度越高，脆性越強(qiáng)，試想木碗和瓷碗的不同。如果在純金屬中加入的其他元素過多，制成的合金雖然硬度增加了，但也變得不耐碰撞。于是冶金技術(shù)的基本配方原則就這樣被限定了。

以如今日新月異的高新技術(shù)能力，難道數(shù)千年前的傳統(tǒng)冶金配方都無法被突破嗎？究竟瓶頸在哪？

冶金異端：越亂越好

異端終于來了。1995年，中國(guó)臺(tái)灣清華大學(xué)材料學(xué)教授葉均蔚引入“熵”的概念，為冶金配方提供了一條新思路?！办亍痹跓崃W(xué)中用來表示系統(tǒng)混亂的程度，熵越高，系統(tǒng)越無序。根據(jù)熱力學(xué)第二定律可以得知，狀態(tài)越混亂，即熵越高，系統(tǒng)的性質(zhì)越穩(wěn)定。在冶金配方上，如果不再以某種純金屬為主，而是等量混入五種、六種甚至更多種元素，這堆混合物將變得非常無序，同時(shí)也會(huì)非常穩(wěn)定，表現(xiàn)為較高的硬度和強(qiáng)度。

葉均蔚根據(jù)這一設(shè)想，帶領(lǐng)他的研究團(tuán)隊(duì)在一周之內(nèi)制成了第一種高熵合金，一年之內(nèi)，他們又陸續(xù)制造了40多種合金。這些高熵合金不負(fù)眾望，具有高硬度、高強(qiáng)度并抗腐蝕的特點(diǎn)。

但問題在于，就連研究者本人也無法理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@是全新的合金制造方法，沒有任何既存數(shù)據(jù)或理論來作為依據(jù)。于是，葉均蔚又花了8年時(shí)間系統(tǒng)地制造高熵合金，有規(guī)則地一點(diǎn)一點(diǎn)地改變?cè)亻g的配比，再觀察并記錄數(shù)據(jù)。2004年，葉均蔚將自己的研究公之于眾，他成為高熵合金的開山之人。越來越多的材料專家開始進(jìn)入高熵合金的研究領(lǐng)域。

在澳大利亞的悉尼大學(xué)，科學(xué)家們研制出了高熵版本的青銅和黃銅。傳統(tǒng)的青銅和黃銅被應(yīng)用在我們的生活各處，如硬幣、水龍頭。這兩種合金中的主要成份是銅，造價(jià)較高。高熵版本的青銅和黃銅則用較便宜的鎳、錳、鋅、鋁取代了大部分的銅，并且性能更佳：堅(jiān)硬、強(qiáng)韌、抗腐蝕。這個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與瑞士一家合金制造商簽訂協(xié)議，提供這種高熵合金技術(shù)，為工業(yè)機(jī)器和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)超級(jí)耐磨的黃銅部件。這是高熵合金首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)。

超低溫合金關(guān)住核聚變

材料性質(zhì)有另一個(gè)普遍現(xiàn)象：溫度越低，脆性越大。很多金屬在溫度低至某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，脆性會(huì)突然增加，這被稱為“低溫冷脆”，例如普通碳鋼在-50℃以下就不能正常使用了。但是在制造高熵合金的過程中，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種由鐵、錳、鎳、鈷和鉻組成的高熵合金恰恰相反，在-200℃以上時(shí)，溫度越低，其脆性越低。

這正是實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)所需的材料。核聚變反應(yīng)是原子核相互碰撞聚合而釋放巨大能量的過程，太陽(yáng)就是通過氫核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量的。如果人類能夠?qū)崿F(xiàn)氫核聚變供能，將是另一次世界能源革命，氫能源清潔、原料豐富，可直接取自海水，而且比像原子彈爆炸那樣的熱核裂變反應(yīng)安全。但目前人類只實(shí)現(xiàn)了不受控制的核聚變，如氫彈爆炸，或者小型核聚變。要實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變，必須能夠控制反應(yīng)的速度和規(guī)模，使其平穩(wěn)、持續(xù)地輸出能量。

目前受控核聚變遇到的難點(diǎn)之一是工程學(xué)上的。要達(dá)到核聚變的點(diǎn)火條件，需要為核聚變內(nèi)部提供超過1億攝氏度的高溫，同時(shí)需要一個(gè)約束體來約束核聚變產(chǎn)生的能量，以便這能量平穩(wěn)、持續(xù)地使用。就像你在爐子上點(diǎn)火，爐子要足夠耐熱，能讓火持續(xù)燃燒，而不是把爐子燒掉甚至炸掉了。目前的主流方案是通過超導(dǎo)電磁體來約束，因?yàn)榇艌?chǎng)可以約束電子，而核聚變產(chǎn)生的能量實(shí)際上是大量帶電粒子。為保證超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)0阻力，即最佳超導(dǎo)狀態(tài)，必須將超導(dǎo)體的溫度控制在絕對(duì)零度（-273.15℃）附近，如何建設(shè)內(nèi)部1億攝氏度與墻體絕對(duì)零度同時(shí)并存的“爐子”，這就是工程上的巨大難題。其中一點(diǎn)就是，在超低溫下，低溫冷脆現(xiàn)象會(huì)使超導(dǎo)體材料破裂毀損。如今，新出現(xiàn)的高熵合金打破了材料溫度越低、脆性越大的魔咒，反其道而行之，使核聚變超導(dǎo)電磁體的材料難題有望解決。

未來的高科技寵兒

除了核聚變這個(gè)大課題，現(xiàn)代科技的許多領(lǐng)域都存在著急待解決的材料難題。其中之一就是轉(zhuǎn)變廢熱的材料，這項(xiàng)科技可用于減少汽車廢熱，或降低筆記本電腦芯片的溫度。這需要材料同時(shí)具備優(yōu)異的導(dǎo)電性能和很差的導(dǎo)熱性能。導(dǎo)熱性能不好，就會(huì)使材料的一側(cè)是高溫時(shí)，另一側(cè)不受熱傳導(dǎo)，仍能保持低溫，通過這樣的溫差發(fā)電效應(yīng)，自發(fā)地產(chǎn)生電流，這被稱為“熱電現(xiàn)象”。因此，一種導(dǎo)電好導(dǎo)熱差的材料可以使自身的廢熱輕松轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

但是，一般而言，材料的高導(dǎo)電性總是伴隨著高導(dǎo)熱性，比如銅和鐵。如何解決這個(gè)問題？高熵合金派上了用場(chǎng)。

優(yōu)良的導(dǎo)電性需要自由電子多，在電壓下就可以形成電流；而導(dǎo)熱性的好壞則取決于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴牧习l(fā)熱在微觀上表現(xiàn)為粒子的高速振動(dòng)，一個(gè)粒子帶動(dòng)旁邊的粒子振動(dòng)就是熱的傳導(dǎo)，如果材料的雜質(zhì)少、結(jié)構(gòu)規(guī)則、振動(dòng)頻率一致，導(dǎo)熱就快。對(duì)于以一種純金屬為主的傳統(tǒng)合金如銅線、鋼絲來說，高導(dǎo)電性必然會(huì)伴隨著高導(dǎo)熱性。而高熵合金因?yàn)槭怯啥喾N元素混合而成，多種原子錯(cuò)綜復(fù)雜地交織在一起，導(dǎo)熱性能較差，但自由電子數(shù)量并沒有多少改變，所以能成為導(dǎo)電好且導(dǎo)熱差的轉(zhuǎn)變廢熱的材料。

美國(guó)空軍也有特殊的材料需求。他們希望飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪前溫度（推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的空氣溫度）更高，渦輪前高溫就意味著高效率。這樣一來，發(fā)動(dòng)機(jī)的制造材料就必須能承受更高的溫度。目前美國(guó)空軍的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)合金以鎳金屬為主體，熔點(diǎn)是1455℃。在元素周期表中間的元素群，如鉬、鈮的熔點(diǎn)可達(dá)2500℃，但這兩種金屬的腐蝕速度太快，無法使用純金屬，需要混合其他元素來彌補(bǔ)這一缺陷。目前，美國(guó)空軍已經(jīng)初步制成了混入這兩種金屬的高熵合金，熔點(diǎn)已經(jīng)超過了原本的鎳合金，但腐蝕性還有待測(cè)試。

除了探索高熵合金的物理特性，研究者同時(shí)在挖掘它的化學(xué)特性，正在實(shí)施的項(xiàng)目之一就是研制高效廉價(jià)的金屬催化劑。金屬催化劑常常由金屬、尤其是貴金屬制得，如金、鉑（白金）和鈀。如果利用高熵合金的制造方法，可以把一大堆其他元素與較少的貴金屬混合冶煉，使合金催化劑性能更加出色的同時(shí)，造價(jià)大幅降低，這樣的催化劑必定成為市場(chǎng)的寵兒。

化學(xué)家們對(duì)高熵合金的期望還不止于此。他們已經(jīng)花了幾十年時(shí)間研究如何制造一種能模擬光合作用的催化劑，用以從水中分離出氫燃料，但研究成果一直乏善可陳。如今，高熵合金成為他們新的希望。

缺失的“藏寶圖”

雖然高熵合金為許多領(lǐng)域的材料更新提供了新的希望，但實(shí)際上到現(xiàn)在為止，研究者還只是觸及這一研究領(lǐng)域的表面，沒有足夠多的數(shù)據(jù)幫助研究者預(yù)期合金的變化，當(dāng)有人提出一項(xiàng)材料的性能需求時(shí)，研究者們并不能準(zhǔn)確知道通過哪幾種組合實(shí)現(xiàn)這種性能，已有的成果可以說有點(diǎn)撞大運(yùn)。

這是一個(gè)令人望而生畏的研究領(lǐng)域，想像一下，在常用的大約60種元素中，如果每次選取5種相同比例的元素混合，就會(huì)產(chǎn)生1040種組合；如果讓每種元素的比例增加或減少5%，再依次重新搭配，就會(huì)產(chǎn)生10120個(gè)組合。何況其中一些原料難以獲得或者非常昂貴，因此目前實(shí)在是無法制造和測(cè)試這么多合金。沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，就沒有理論框架，高熵合金的制造缺失了一張“藏寶圖”，未來的研究將任重而道遠(yuǎn)。