科學家研發出迄今最耐磨的合金(圖:Randy Montoya)

美國桑迪亞國家實驗室( Sandia National Laboratories )最近開發出一種新的合金,聲稱是迄今耐磨損性最強的合金。究竟有多耐磨?研究員表示,假設使用這種合金製成輪胎,這些輪胎可沿著地球赤道剎車滑行 500 圈,才會開始出現磨損。

此種新合金比現今常用的高強度鋼( high-strength steel )耐磨損能力高 100 倍,其耐磨性相當於自然界的鑽石和藍寶石。

金屬的耐熱能力影響耐磨性

桑迪亞的材料科學研究團隊使用電腦運算模擬,以探討單一原子的擾動如何影響巨觀上材料的性質改變。模擬結果發現,硬度可能不是影響耐磨損能力最重要的因素,而是熱性質。

約翰·庫里博士( John Curry )對此表示:「許多傳統的冶金過程都是透過降低晶粒( grain size )大小來提升材料的強度。但即使如此,在高溫高壓下仍會變軟、表面磨損。」

因此,雖此鉑金合金的組成成分仍是 90% 鉑及 10% 金,在硬度上並沒有勝過傳統的合金。但這種合金具有更佳的耐熱能力,使得耐磨能力也同時提升。

延長電子產品的使用壽命

在電子產品中,可動元件的金屬間接觸面會使用金或其他貴金屬作為磨損保護的介面。但因價格昂貴,無法用於大量的商業應用,在經過數百萬、甚至數十億次的摩擦後便會磨損。

再回到合金輪胎的假設上,這種假設性的輪胎剎車滑行每英里僅會磨損掉一層原子的厚度。若能將其應用於電子產業,例如航太系統、風力發電機、手機或雷達系統中的微型電子元件,可延長設備的使用壽命,每年能省下近 1 億美元(約 30 億台幣,7.8 億港幣)的材料費用。

意外發現

這種合金除了具有驚人的耐磨性外,研究人員在測試過程也意外發現,當此合金與含碳材料摩擦時,會在表面生成一層黑色的物質。在檢驗後發現,這是碳原子形成的類鑽石結構材料。這種材料像石墨一樣平滑,像鑽石一樣堅硬,為一種相當良好的潤滑劑。

研究人員認為,若能更深入了解此種碳生成的方式,有望更強化目前已相當優良的合金耐磨能力,甚至可能開發出簡單又經濟的優良潤滑劑製程方法。

 

參考資料:

  1. Argibay, N., Babuska, T., Curry, J., Dugger, M., Lu, P., Adams, D., . . . Chandross, M. (2018). In situ tribochemical formation of self-lubricating diamond-like carbon films. Carbon, 138, 61-68. doi:10.1016/j.carbon.2018.06.006
  2. Curry, J. F., Babuska, T. F., Furnish, T. A., Lu, P., Adams, D. P., Kustas, A. B., . . . Argibay, N. (2018). Wear: Achieving Ultralow Wear with Stable Nanocrystalline Metals (Adv. Mater. 32/2018). Advanced Materials, 30(32), 1870242. doi:10.1002/adma.201870242
  3. Most wear-resistant metal alloy in the world engineered at Sandia National Laboratories. (n.d.).   Sandia National Laboratory
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