葉均蔚的金屬調和術 - 高熵合金

 
2018/04/09 葉孋嬋 | 特約文字編輯
林茂榮 | 攝影     426
 

人類使用合金製品,從最早的青銅、黃銅到鑄鐵、鍛鋼、不銹鋼等,已有四、五千年的歷史,小至鍋碗瓢盆,大至交通工具,各式各樣的合金,為人們打造了舒適便利的生活。傳統合金雖足以應付生活所需,然而尋找更加強韌、耐磨、耐高溫、抗腐蝕的材料ㄧ直是科學家努力的目標。清華大學材料科學工程系葉均蔚教授打破了以往學界所認知的:合金所含元素越多樣、比例越高會越容易脆裂,的迷思率先提出高熵合金理論,並發表一系列的論文,創始了台灣高熵合金的研究並奠定世界領先的地位。是什麼樣的契機,讓葉教授勇於嘗試眾人皆認為是徒勞無功的研究呢?而葉教授又如何在競爭激烈的學術圈中,能穩健地朝自我目標邁進呢?

 

多方涉略 放眼未來

 

民國60年,葉均蔚考取清華大學物理系,除了當兵的兩年外,之後有45年的光陰都在清華大學度過,故對於學校有著深厚的情感。在大一時,他想到畢業後只能到國、高中教書,深感不樂,他希望能應用所學,做出實際的產品,因而萌生了轉系的念頭。隔年,清大成立國內第一個材料科學工程系,兼習理論與應用,並橫跨工程與科學兩界,雖然當時社會上對此新興科系的出路並不清楚,但葉教授認為材料為工業之母,對台灣未來工業發展相當重要,因此經深思過後,在大三時降轉至材料系。「雖然多念了一年大學,但換個角度想,可以修更多課,提升自我的眼界,讓思考更為多元。」葉教授強調,基礎學科很重要,打穩根基對之後的學術生涯確實有很大的幫助。

 

「眼光要放遠,深思熟慮後再做決定,不要隨波逐流,如果目光只如豆,就很難獲取令人驚豔的成果」葉教授說,「創新」的前提是將既有的現況了解透徹,找出核心問題,並針對瓶頸去思考是否有不一樣的解決方式。當你想出了不同的方式後,下一步便是付諸行動來驗證了。

 

不受限舊有觀念 勇於嘗試

 

高熵合金是以五種以上的金屬元素混合而成的合金材料,其主元素的原子百分比須介於5%至35%,次要元素則不得超過5%。經由適當的金屬調和後,可使高熵合金具有優越的物理性能和機械性能,也比純金屬或一般合金具有更高的硬度、延展性和抗腐蝕性,改善了傳統合金使用上的瓶頸,也能運用在更嚴苛的環境中,例如更耐磨的軸承、抗菌的刀具、耐高溫抗腐蝕的塗層等。

 

談起研究高熵合金的契機,葉均蔚教授說:「合金材料發展至今仍存在許多瓶頸,我一直都在尋求突破點,從不同方向思考,希望能開發更好特性的材料,最後想到可以從成分著手。」回想當年有次從新竹開車上台北時,一如往常地邊思索著研究課題,在途經新埔鄉間小路時,他突然靈光一閃,「為何不讓很多元素混合在ㄧ起,讓亂度變大,也許會有意想不到的效果?」當天晚上他便請研一學生黃國雄進行相關試驗,也商請陳瑞凱教授幫忙,利用電弧熔煉爐,進行不同比例金屬的熔合,經測試了多達40幾種的配方後,高熵合金理論終於豁然開朗。葉教授表示,思考並不保證能獲得解答,但若不想也不會有靈光乍現的機會,此外,執行力也相當重要,空有想法而不實踐仍是枉然。

 

剛開始實驗時呈現的結果五花八門,看似雜亂無章,葉教授卻能從一團迷霧中理出頭緒,慢慢歸納出高熵合金中,不同元素組合之等原子比例合金,對於整體合金性質的影響趨勢,後來更繼續研發非等原子比例的高熵合金,發現了更多不平常的特性,因而對合金的調和學建立了更多元更廣泛的能力。例如添加鋁、矽等耐氧化元素,會提高金屬抗氧化的能力;添加鎢、鎳、鉻等耐高溫元素,則可增加合金在高溫環境下的強度。

 

打破傳統概念 奠定台灣領先地位

 

高熵合金可大幅提升器械、機具的耐用度,目前已廣泛運用在生活中。然而,十多年前多數學者皆認為這套理論簡直是天方夜譚,不可能做得出材料。「傳統合金理論根深蒂固,因此很多人認為我的基本觀念錯誤,做的是虛功,但若非如此,高熵合金大概也輪不到我來開發了。」葉均蔚笑著說,當時他並未發表過高熵相關的學術論文,提出的概念又與既有理論相悖,因此向國科會(現今科技部)申請前瞻奈米研究計畫時受到不少質疑,所幸當時國科會將計畫送至國外審查,最終還是支持了這項創新概念,使葉教授能有充足的經費進行高熵合金研究。

 

1995年,葉教授開始研究高熵合金,但他並不急著呈現研究成果,而是精雕細琢後在2004年才一口氣發表了五篇相關的論文,在學術界引起ㄧ陣旋風,往後更以每年10篇論文的速度不斷地向世人報告新的進展,建立了台灣高熵合金研究的龍頭地位。「當時衷心希望台灣能成為高熵合金研究的領頭羊,故若太早發表了,國內研究資源比不過大國,可能會被他國迎頭趕上,但若延遲發表,又會擔心他國學者搶先一步。」葉教授緩緩道出過往忐忑的心境,如今再回頭看仍感到慶幸。「我自認是個相當沉得住氣的人,不會被眼前利益所蒙蔽,也不會一窩蜂追隨熱門,看的長遠,想的寬廣,成功就不會離你太遠。」因為葉教授的打破成見,帶動了此領域的研究風潮,目前全球已有超過500個的單位投入高熵合金研究。

 

期許學子充實自我 務實研究

 

葉均蔚教授期望學生能做出真正有益於社會的研究,因此常常勉勵學生要務實,多方涉略不同領域的知識,並且將研究與生活作結合。「做研究一定要清楚自己的目標,若是希望成果可以運用在產業上,就必須考量生產方式是否符合環保規範、能否降低成本,以及是不是需大費周章才能獲得。」葉教授說,就如同研發新口味的食品,其目標是給人們食用,但卻用了不可食的材料,故縱使做出了外觀誘人、香氣十足的食物,仍舊是一場虛功。

 

無論在任何時刻都能清楚自己的定位以及未來的目標,想得長遠並有勇氣嘗試新想法,是葉均蔚教授在學術巨浪中能脫穎而出的關鍵,期待葉教授能再次帶給世人眼睛一亮的新發現!