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合金材料新技術高熵合金之簡介

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目前傳統合金研究已接近成熟及飽和狀態，很難再創造新的合金系統，本文簡介高熵合金相關原理與應用，讓讀者初步認識所謂「高熵合金」設計新材料之觀念，透過適當的合金配方設計，獲得更多優異的性能，如高硬度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐腐蝕、高電阻率等優於傳統合金之特性，且其應用層面亦更加多采多姿。

高熵合金(High-entropy alloys)簡稱HEA，是由五種或五種以上等量或大約等量的金屬形成的合金，其中所謂的熵，是熱力學上代表亂度的一個參數，一個系統亂度越大，熵就越大。而由於高熵合金有許多理想的性質，因此在工程上受到重視。以往材料界並未朝更多主元素合金發展的原因可能為傳統合金的調配比例仍是以“一種金屬元素為主”的觀念，依照配置不同的金屬成分與比例，使用特定的製程方法，而可得到需求的合金材料，例如鋼鐵材料以鐵為主，加入碳可得碳鋼，當碳含量超過一定的比例時，可成為鑄鐵，若加入其他元素可得性能不同的合金鋼。

然而所謂的高熵合金是使用多種主要元素的合金材料，其中每個主要元素都具有高的原子百分比，但不超過35%，因此沒有一種元素能占一半的比例以上，充分發揮多元素高亂度的效應，藉由每個元素原子的隨機散佈而抑制脆性化合物生成，可使材料得到更強的韌性。

與傳統合金相比，高熵合金為合金設計帶來新的觀念，具備更多優異的性能，透過適當的合金配方設計，可獲得高硬度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐腐蝕、高電阻率等特性組合，其特性優於傳統合金，且應用層面多采多姿，如：高硬度且耐磨耐溫耐蝕的工具、模具、刀具；高爾夫球頭打擊面、油壓氣壓桿、鋼管及輥壓筒的硬面；高頻變壓器、馬達的磁心、磁屏蔽、磁頭、磁碟、磁光碟、高頻軟磁薄膜以及喇叭；化學工廠、船艦的耐蝕高強度材料；渦輪葉片、焊接材料、熱交換器及高溫爐的材料；超高大樓的耐火骨架；和微機電材料等。

但作為新型態合金的高熵合金的機械、物理、化學性質將持續進行研究探索外，也會出現與基本理論的相關挑戰，例如在高熵合金的製程階段會產生不同相系統。另外，高熵合金具有相當多的組合數目，儘管只有少數的系統組合可被證明是有功能的。但是，使用傳統的合金檢測方法來辨別有用的合金成分變得困難，需要一種有效率的高通量辨識技術來進行合金篩選，並且也需要進一步的研究如何控制高熵合金中各原子形成相變化的機制。

二十世紀末傳統合金研究已接近成熟及飽和狀態，我們很難再創造新的合金系統，或在舊的合金系統中創出新的合金，高熵合金為二十一世紀提供一個嶄新且長久的研究領域，讓大家進一步發掘及應用。

• 編修日期：2020/06/18
• 上稿單位：花蓮分局機電產品科