【科學講堂】鈦鋁合金新進展 廣泛溫度區間呈超彈性
所謂「合金」，顧名思義是由多種金屬混合起來的成品，往往會展現出前所未見的特徵。鋼就是一個很好的例子，鋼由鐵和碳混合，更堅固，如果再加入鉻等金屬，更能夠有防銹的效果。正因如此，合金一直是一個備受關注的研究領域。如果能夠製造出彈性和強度都高、又可以適應不同溫度的合金，可以幫助我們解決不少問題，比如說探索太空的機械，就極需這樣的合金。今次我們就一起看看相關方面的進展。
想要製造出一種彈性大的合金並不簡單，因為金屬的原子，一般是有規律地排列成矩陣的模式，當金屬受力而被拉長的時候，這個矩陣不一定均勻地改變形狀，反而會造成一些缺陷（defect），因而令金屬難以恢復原狀，無法展示出彈性。這些缺陷可能以不同的形式出現：例如可以是矩陣中少了一顆原子，或是整排原子在矩陣中突然中斷了。所以金屬在受力伸縮以後，一般來說只能夠回復少於0.05%的幅度。
讓金屬合金展現如橡膠般彈性
1932年發布的一個研究，讓金屬合金可以展現出「橡膠般的彈性」。這個研究指出，合適的方法可以讓金屬原子在承受外力的時候，將整體轉變成另一種狀態，而當外力消失的時候，金屬原子又能夠變回原來的狀態。這個方法成為製造有形狀記憶金屬的基礎，這種現象被稱為「超彈性（superelasticity）」。
但這種超彈性合金卻有一個限制：它們只可以在很小的溫度區間中展現出超彈性，以致這些超彈性合金只能夠在十分精準的環境下才能發揮它們的效用。
不過，近日有研究發現了能令鈦和鋁的合金在廣泛溫度區間中發揮超彈性特質的方法。這一發現推翻了過往的研究，業界普遍認為鋁加進鈦中會不易發揮超彈性的狀態。
然而，研究人員在詳細分析後，卻發現鋁和鈦在高溫之下，可以形成和「鎳鈦合金（Nitinol）」相似的狀態（稱為B2相），而鎳鈦合金正好就是超彈性合金的典例。
研究人員再進一步在這種鈦鋁合金中加入小量鉻去穩定B2相，結果讓這種合金達到每立方厘米4.36克的密度，比鎳鈦合金還要輕三成以上。最亮眼的還是這種合金從攝氏零下269度（也就是液態氦的溫度）到攝氏130度（比沸水還要熱的溫度）都會展現出超彈性的特徵，而鎳鈦合金的超彈性只出現在攝氏0度到攝氏80度之間。
此外，B2相的鈦鋁合金在受力伸縮以後回復至少5%，比傳統的金屬或合金高10倍。
小結
這種新的合金堅固、輕巧，但又能在廣泛的溫度區間下展現超彈性，相信很快就能有相關的應用。未來還需要更深入認識這種合金，理解它超彈性背後的原理，以便能夠更好地發揮合金材料的特性。
●杜子航 教育工作者
早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。
