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金屬製造新技術：高壓下的金屬

95/04/10 13689

李少濠｜臺灣精微材料股份有限公司

在密閉容器中燃燒火藥，會產生高溫氣體，這些氣體在容器內部可產生數萬大氣壓的高壓。我們在地球上所受到的大氣壓力大約是1大氣壓。在能夠承受數萬大氣壓的特種鋼容器中使火藥爆發，藉由所產生的高溫和高壓，就可以擊發砲彈，而這種高壓實際上只能維持擊出砲彈前的幾百萬分之一秒的瞬間。

締造人造高壓的新紀錄

對熱力學有興趣的布立基曼（Percy Williams Bridgman, 1882－1961），希望在高壓環境中進行各種物理測量，但在20世紀初，最高的壓力也只達3千大氣壓，這個紀錄是由法國的阿馬伽（Emile Hilaire Amagat, 1841－1915）所創。

為了達到更高的壓力，布立基曼嘗試了各種方法。譬如說，在堅固的圓柱形管內放入氣體或液體，從上方推入與圓柱大小剛好的活塞，就能產生高壓。他把這個活塞分成前端和上方本體兩個部分，並把「迫緊」（packing，一般叫做墊圈）塞在兩者的中間。這兩個部分的中間沒有什麼壓力差，所以迫緊非常有效，能使液體或氣體逸漏減到最少，對達到高壓相當有幫助。

布立基曼一次又一次地努力嘗試，在1930年代初期，終於讓他創下比阿馬伽所締造的紀錄高出十餘倍，約達5萬大氣壓的高壓紀錄。在哈佛大學的物理實驗室獲致5萬大氣壓的那一刻，對布立基曼來說是畢生難忘的一天，當時布立基曼剛過50歲。

在突破歷史性5萬大氣壓的當天，布立基曼帶領著幾位助理努力地工作著，馬達不停地運轉，壓力表以每10秒為間隔，自動記錄高壓容器內的壓力。隨著壓力漸漸升高，布立基曼與研究人員對壓力裝置能否承受高壓感到不安，而且這種不安的情緒伴隨著時間高漲。為了確保安全，裝置周圍由厚實的防護牆包圍著，但是萬一破裂，數十萬美金的設備可能就此報廢。為了在任何危機下都能及時關閉電源，助理們不顧安危仍各自站在儀器前守候著。

壓力表的指針微幅振動著，壓力逐漸升高。在超過4萬5千大氣壓時，布立基曼覺得呼吸愈來愈不順。隨後，壓力表的指針達到5萬大氣壓，並且靜止不動，依照最初的規畫，這個實驗應該在這個壓力狀態下維持30分鐘。當時間正好過了30分鐘，布立基曼看到壓力表的指針開始往下移動，感到非常安心，這時才覺得口渴，就搶著喝下助理帶來的果汁。

這項實驗非常浩大，為了確保安全，他們往地下深處挖了個大洞，把堅固材料製成的高壓裝置埋入其內。裝置由內、外兩個圓筒構成，使內部圓筒內最後能夠達到5萬大氣壓，外部圓筒內的壓力則較低，譬如說2萬大氣壓。如此一來，內外圓筒交界面所承受的壓力是3萬大氣壓，在技術上比較容易克服。

高壓下的發現及其應用

後來，布立基曼曾經獲致10萬大氣壓的壓力，同時在高壓環境下進行許多金屬特性的研究，這時他已能毫無困難地達到3萬大氣壓以下的高壓。接著他開始進行多年來的目標－測量10萬大氣壓下的種種物理量，這成為全世界物理學家矚目的焦點，許多外國留學生蜂擁進入哈佛大學的布立基曼實驗室進行研究。

布立基曼對鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb）、鈣（Ca）等鹼金屬和鹼土金屬施加壓力，測定它們在高壓下的密度。驚人的是，施加10萬大氣壓時，這些金屬的密度大約是1大氣壓時的2倍。換句話說，這些金屬的體積會變成1大氣壓時的一半。這個結果顯示了在10萬大氣壓時壓力的威力，引來研究人員與學者們的關注。

此外，布立基曼也測量金屬在數萬大氣壓力下的張力強度和延性。令人驚訝的是，壓力越大，張力強度和延性也變大。也就是說，金屬受到壓力時，即使用力拉扯也不容易斷掉，就像剛剛搗好的年糕一樣，可以拉得長長的還不致斷裂。第二次世界大戰（1939～1945）中，這個事實成為美軍關切的對象：他們利用這些性質製造特種鋼，貼在戰車或軍艦的表面，以提高耐彈性。這些成果使布立基曼獲得1946年的諾貝爾物理學獎。

1955年，聘請布立基曼擔任顧問的美商奇異公司的技術人員，對碳施加高壓，結果成功製造出人造鑽石。鑽石是碳的同素異形體（由同種原子構成，但原子的排列方式並不同）。後來，利用這種方法製成的鑽石被廣泛運用在人造寶石、磨料、切割刀具等方面。

布立基曼和技術人員也協力進行一種稱為「布立基曼法」（Bridgman method）的單晶製造方法的開發。單晶是指構成晶體的所有原子都朝同一方向排列的結晶，單晶的電子活動比較自由，而且結晶的機械強度較強，研磨的表面凹凸程度較小，這些有利的特徵適合製作電晶體等電子元件。

布立基曼法是生產單晶的重要方法之一，所用的加熱爐可以是垂直式或水平式，分為高溫與低溫兩個區域，使盛有熔融材料的容器以適當的速率從高溫區向低溫區移動，材料的單晶便在兩個區域的交界處成長。在單晶開始成長的時候，容器的起始端一定要有一段單晶的種子。

金屬高壓加工技術

由於布立基曼對金屬材料在高靜液壓下變形的研究，加速了利用高壓狀態下進行抽線製程的可行性。利用高壓液體進行擠壓成形的靜液壓擠壓技術，始於1893年羅柏森（Robertson）所開發的專利。在1950年後，蘇聯、英、美等國盛行這種技術的基礎研究，至1970年代，冷間靜液壓擠壓製程技術才工業化，但應用有限。於是研究人員開始向溫間靜液壓擠壓、甚至攝氏1,000度以上的熱間靜液壓擠壓技術進行研究與開發。

目前，攝氏500度（甚至1,000度）的銅管靜液壓擠壓製程，及熱間複合材液壓擠壓製程都已實用化。就應力狀態、潤滑特性而言，靜液壓擠壓是擠壓的理想製程，可發展出新素材、難加工材、以及一般工業材料在工程合理化要求下的擠壓技術。

靜液壓擠壓的第一個特色是利用高壓壓力媒體介入金屬素材與擠壓工具之間，避免容器與金屬素材的摩擦，實現潤滑性良好的擠壓。第二個特色是靜液壓增大加工材的延性。第三個特色是可產生超高的斷面減縮率。靜液壓擠壓因摩擦小，即使降低坯料溫度，也能以等同於直接擠壓的擠壓力充分壓擠，且因摩擦所產生的熱較少，即使以相當高的速度擠壓，也能得到無裂紋等缺陷的製品。有上述特色的靜液壓擠壓適合高品質材、複合材、薄肉形材等產品的擠製，可用來製造高強度鋁合金管及異型材、包銅的鋁材、超導體材等。

以高壓接觸進行擠壓的靜液壓擠壓製程，因可使素材塑性流動均勻，且於室溫下能獲得良好的接合界面，所以非常適合應用於複合材的擠製。日本神戶製鋼公司就以這種方法生產各類複合材製品，產品包括銅芯鈦棒材、銅芯鋼線材、銅芯鐵合金線材、氧化鋁（Al₂O₃）分散強化銅合金線材與棒材、鈮－鈦（Nb－Ti）合金系超導線材、三鈮化鍚（Nb₃Sn）化合物系超導線材、快削鋼芯鋼線、鐵芯銅（銅合金）線、鈦芯銅合金線、鋁芯銅合金線等製品，分別應用於電氣用匯流排、配線用電線，甚至超導發電機等。

包鈦銅棒一般應用於化學工業、電鍍工業所需的耐蝕性電極上，以往的生產方式是把異種金屬接合後以冷間抽製方式進行生產。由於熱間靜液壓擠壓製程有助於提升複合金屬中界面接合的強度，且其製品有更佳的可靠性，因此鈦銅棒也可改以熱間靜液壓擠壓製程製造。

此外，熱間（攝氏300～500度）靜液壓擠壓也是銅與鈮－鈦合金系及三鈮化鍚化合物系超導線材的最有效生產方式，可防止多芯線斷線，強化複合金屬材料界面的接合，並使品質更穩定。鐵－鎳（Fe－Ni）合金與銅的複合線、銅與低碳鋼的複合線等製品，都是電子機器用素線，複合比的均勻度及接合強度的要求都甚高，因此靜液壓擠壓製程有逐漸取代以往線材抽製製程的趨勢。

對地球內部的研究

地球的半徑約6千4百公里，地表下約3百公里深的地方，壓力就超過10萬大氣壓，地球中心的壓力更高達360萬大氣壓左右。乍看之下，布立基曼的高壓裝置對地球內部的研究似乎毫無用處。

不過在1938年，布立基曼門下的學生柏齊（Albert Francis Birch, 1903－1992）證明事實不是如此。他藉由1937年美國約翰霍普金斯大學的莫納漢（Francis Dominic Murnaghan）發表於《美國數學期刊》的論文〈有限應變的彈性理論〉，證明這一點。

柏齊透過莫納漢的理論所得到的方程式，意外地簡單。

（2P／3K₀）＝（ρ／ρ₀）^7／3－（ρ／ρ₀）^5／3

式中的ρ₀和K₀，各代表壓力等於0（實際上是1大氣壓）時的密度和體積模數（bulk modulus），而ρ是壓力等於P大氣壓時的密度。體積模數是為了要讓物體產生一定百分比的體積變化所需要的壓力，體積模數越大的物質，越不容易因壓力而產生體積變化，所以是比較堅硬的物質。柏齊理論式等號左側的單位是「壓力／壓力」，右側的單位是「密度／密度」，所以都是沒有單位的量。

前面曾提及布立基曼對鋰、鈉、鉀、銣、鈣等鹼金屬和鹼土金屬施加最高到10萬大氣壓的壓力P，測量它們在高壓下的密度ρ，當然他先前已經測量過各種金屬的ρ₀和K₀。柏齊透過這些資料，計算出從每種金屬實驗所得到的（2P／3K₀）和（ρ／ρ₀），把結果繪入以橫軸表示（ρ／ρ₀）、縱軸表示（2P／3K₀）的理論曲線圖內。令人驚訝的是，布立基曼對於鹼金屬和鹼土金屬的所有實驗結果，竟然都符合柏齊的理論式。

當壓力使體積變成1大氣壓時的一半之前，柏齊的理論式都會成立。布立基曼用來實驗的鹼金屬和鹼土金屬，K₀值小，容易被壓縮。然而，位於地球表面下方2,900公里深處的地函由矽酸鹽構成，矽酸鹽是二氧化矽和金屬氧化物構成的鹽類，矽酸鹽的K₀值很大，是鹼金屬和鹼土金屬的5～10倍。所以說，使矽酸鹽體積變成一半的壓力，是鹼金屬和鹼土金屬的5～10倍，相當於50～100萬大氣壓。由此看來，地函的整體可說都符合柏齊的理論式，顯示布立基曼的高壓實驗對地球內部的研究仍然具有相當的貢獻。

高壓技術發展至今，已廣泛應用於不同的工業範疇，如用於食品工業中的加壓殺菌、加壓不凍結保存，化學工業中的高壓化學反應，金屬材料工業中的等加壓方法、靜液壓擠壓法、液壓成形法，機械加工業中的水刀切割、超臨界流體技術等方面。惟如何界定一合理又合乎經濟效益的應用，則有待進一步的研究。

資料來源

《科學發展》2006年4月，400期，18 ~ 23頁

金屬製造新技術：高壓下的金屬

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