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【臺大學術卓越系列報導—工學院先進鋼鐵組織控制研究中心之超強奈米鋼之研發】

楊哲人教授

「材料科與工程學」之教學與研究在臺灣首先發源於本校工學院機械系金屬材料組。本校第二任校長陸志鴻教授於1950年代即在工學院講授「材料結構與缺陷」課程，並極力推動「工程材料」的研究，並且於1971年獲得美國國際基金會專款補助，購置全台第一部材料結構分析研究用的穿透式電子顯微鏡 (型號JEOL　100U，本儀器現保存於工學院工綜館一樓展示廳， 如圖一所示)，奠定材料顯微結構研究與其分析技術之基礎，相關的鋼鐵與金屬材料研究歷經了47年的歲月，材料已擁有 六部 穿透式電子顯微鏡(TEM)，均為當年該階段的先進穿透式電子顯微鏡(如圖二所示)，這些TEM設備培育不少材料結構研究人才，也使得臺大材料系在國際上發光發熱。

2011年材料系在巴西CBMM公司(世界第一大的鈮礦公司) 與中鋼公司之贊助成立先進鋼鐵組織控制工程研究中心， 由材料系楊哲人教授擔任中心主任，成員教授共五人，分別研究鋼鐵合金設計、製程加工、組織分析、機械性質及腐蝕防冶。中心的主要目標在開發先進節能減碳的超高強度汽車鋼板。為了節省能源消耗與兼顧乘車安全，汽車用鋼材使用的強度等級愈來愈高。高強度鋼通常採用麻田散鐵或變韌鐵為主要顯微組織的相變態強化設計，然而此類鋼材加工成形性不佳，為了得到優良強化與成形性組合，本研究團隊採用鈦-鉬(鈦-釩或鈦-鈮)複合添加之合金設計，配合熱軋軋延參數之精緻控制，利用肥粒鐵晶粒細化及奈米碳化物析出複合強化機制來產製高強度熱軋汽車用鋼。傳統析出強化型鋼板由於析出物之體積分率不足，其整體抗拉強度僅可達到590MPa。本中心團隊以界面析出奈米碳化物技術開發出抗拉強度980MPa等級之析出強化型超高強度熱軋鋼板，其伸長率可達18%的水準，鋼材中具有高密度的奈米碳化物散佈於肥粒鐵基地中 (列陣式排列的奈米碳化物佈散於肥粒鐵基地，如圖三所示)，以大量奈米碳化物的析出強化機制來達到超高強度之目標。此奈米碳化物強化的鋼材具有極高強度與良好加工成形性，已被廣泛應用於卡車之大樑、汽車之防撞鋼樑、安全汽囊零件等汽車部件。

本中心最近亦致力於新型奈米變韌鐵合金鋼之研發，應用於新型防彈鋼板。經由合金設計及適當低溫恆溫處理，此種大量新型奈米變韌鐵組織可以被巧妙地控制生成在大型的板材中，本中心對奈米變韌鐵抗彈鋼板材料，己完成極快速撞擊實驗(split Hopkinson bar)，應變率達103s-1以上，已證實本類奈米鋼材有超高強度(高於2000MPa)與極佳延展性 (延伸率大於40%)，本項研究已引起歐美與日本先進國家之注目。本項成果將應用於防彈車及裝甲車等裝備。

楊哲人教授多年來使用電子顯微鏡在鋼鐵奈米組織之研究，其貢獻已獲得國際相關學術單位的肯定，於2017年11月韓國顯微鏡學會50週年慶，獲得第一屆韓國顯微鏡學會會士榮銜 (如圖四)。

【臺大材料所跨國團隊發展極高強度低成本新穎鋼材榮登《Science》期刊】

臺大參與兩岸三地合作發展極高強度、高延性、低成本新穎鋼鐵材料，汽車、航太、及能源工業都需要高強度且高延性的金屬材料來提高能源效率並降減溫室氣體排放量。然而，金屬材料的強度和延性經常是魚與熊掌不可兼得，增加強度的同時往往導致材料延展性下降，進而影響料成形性與衝擊性能。兩岸三地年輕學者合作研究突破過往材料差排理論，大幅提高強度同時仍使材料兼具延展性。此項研究於2017年08月24日發表於《Science》期刊，篇名為《High dislocation density induced large ductility in deformed and partitioned steels》)，全文請參照連結B. B. He et al., Science, 10.1126/science.aan0177 (2017)。

「金屬材料經過塑性變形，差排密度提高，故強度提高，但延展性變差，此稱為加工硬化。」

這段敘論述幾乎可以被視為材料科學的定律，而香港大學機械工程系黃明欣博士過去便一直思索以提高「可動差排」密度來維持塑性的理論與可能性，合作團隊中北京科技大學羅海文博士認為能以中錳鋼合金系統來進行材料設計，而臺灣大學顏鴻威與程冠儒則以電子顯微鏡技術進行機構解析。該團隊認為以調配雞尾酒的方法能夠使材料的顯微結構更複雜，若能同時有效控制複雜顯微結構以及變形組織演化，則有機會提高可動差排密度來維持塑性，最後團隊以「變形繼以配分（deformation & partition, D&P）」的技術實現了此具有突破性機械性能的鋼鐵材料。此新穎合金具有2.0GPa以上之降伏強度（材料抵抗塑性變形的能力），而其均勻延伸率仍可達到16%以上。

研究團隊設計了Fe-10Mn-0.47C-2Al-0.7V (in wt. %)的中錳鋼來實現變形繼以配分（D&P）的製程， 通過適量冷軋變形，隨後進行低溫回火（400 °C）得到高差排密度的D&P鋼，此特殊鋼的介穩態沃斯田鐵鑲嵌在高差排密度的麻田散鐵中（詳見圖1）。麻田散鐵是在冷軋的過程由沃斯田鐵相變形成的，而在低溫回火時，麻田散鐵中的碳會配分給沃斯田鐵，保留了麻田散鐵的差排密度，同時避免了中高碳麻田散鐵的脆性，更值得注意的是，此類型差排雖然密度極高，卻能夠維持其滑移的自由度。另一方面，獲得碳配分的沃斯田鐵能在材料變形過程中相變態形成麻田散鐵，輔助性地共同維持了材料的高均勻延伸率(延性)。

相較於普遍使用的超高強度汽車鋼（圖2: DP 780和Q&P 980）和應用於航空及國防工業的麻時效鋼，新開發的D&P鋼不僅具有更高的屈服強度，而且擁有更好的延伸率。研究團隊中的幾位學者近期已經獨立發表許多突破強度和延性之間抵換的新型鋼種(詳見圖2)，其中包含黃明欣團隊於2015年研發的納米雙晶鋼(Nano Twin Steel)，顏鴻威團隊於2015年發表的超細晶雙相鋼(UFG-Duplex Steel)，羅海文於2016年發表的相變/雙晶誘發應變中錳鋼(TRIP/TWIP M-Mn Steel)，但是鋼鐵之強度都停滯在約1500 MPa左右，透過合作薈萃三人過去的顯微結構控制技術與經驗，使D&P鋼之機械性大幅突破過去之研究成果。

除了差排理論與機械性能上的突破，D&P鋼不僅達到了麻時效鋼的強度（圖2: Maraging Steel），並具有優異的延展性，而其原材料價格僅有麻時效鋼的20%。因此，通過顯微結構與缺陷的複雜化與可控化，研究團隊在降低經濟成本的同時得到了超高強度的鋼鐵。因此，D&P鋼具有工業生產的潛力，而「如何調配可動差排」這樣的概念亦能廣泛應用於汽車、航太、以及能源等工程材料領域當中。

此研究由香港大學主導，協同北京科技大學、臺灣大學和香港城市大學的青年科學家共同合作所完成的，為兩岸三地青年科學家成功合作的例子。顏鴻威博士師承臺灣材料顯微結構大師楊哲人教授，於2014年8月回到臺灣大學任教，並成立「顯微結構與缺陷物理研究團隊」，透過此研究指導程冠儒同學相關學理與技術，團隊成員特別感謝臺灣大學與科技部材料學門的經費補助，使其能在2015年研究室草創狀態下就展開D&P鋼之顯微結構與變形機制剖析研究，其間獲英國Oxford Instruments設備助拳，最後於2016年底順利完成這項合作研究。臺灣大學自陸志鴻校長1972年建立第一部穿透式電子顯微鏡，至楊哲人教授建立先進鋼鐵組織控制學群，迄今已經有高過40年歷史，而程冠儒同學繼承了臺大悠久的顯微結構分析傳統，並展現驚豔之研究成果，相當難得。未來臺大將持續深耕顯微結構與缺陷分析之專業教育、先進設備、以及前瞻應用研究。

【凝態中心朱明文研究員與物理系郭光宇教授合力解開氧化物界面傳導電性之謎發表於《Nature Communications》】

2004年，日本研究團隊在LaAlO3和SrTiO3界面發現「將兩個氧化物絕緣體接起來，它的界面居然變成導體」的新穎物理現象，震撼凝態物理學界。更由於其與半導體界面傳導二維電子氣（two-dimensional electron gas）之相似性，開創了氧化物電晶體的可能。此導電性界面同時具備超導性（superconductivity）、鐵磁性（ferromagnetism）、和意想不到的絕緣鐵電性（ferroelectricity），這些形形色色的物理現象不僅彼此不相容，也同時是半導體界面物理學中不存在的自由度。LaAlO3和SrTiO3界面因而可說是學術與應用兼備的典範系統，三位主要發現者近年來更是屢獲國際物理學大獎。

然而，科學家對LaAlO3和SrTiO3界面系統的了解並非完全成熟。首先，界面導電性究竟從何而來？看似不相干乃至不相容的超導性、鐵磁性和鐵電性何以同時出現？其中又以界面導電性的起源最為關鍵，最有可能扮演揭開界面超導性、鐵磁性和鐵電性起源的鑰匙。解開LaAlO3和SrTiO3的界面導電性根源，於是成為眾多物理和材料科學家共同追逐的聖杯。這個12年來未解的難題在物理系暨凝態中心博士生－李培瑋－六年來的努力下進入嶄新的階段。

在凝態中心朱明文研究員和物理系郭光宇教授的指導下，李培瑋博士生利用掃描穿透式電子顯微鏡（scanning transmission electron microscopy）和電子損失能譜儀（electron energy-loss spectroscopy），以逐原子分析其化學、電子（electronic）、結構特性的方式，解開LaAlO3和SrTiO3的界面導電性源自於LaAlO3和SrTiO3介面應變（strain）誘發的鐵電性晶體自由度。分別存在於兩材料中的鐵電極化（polarization）以獨特的頭對頭方式指向對方並造成靜電排斥，系統因而產生傳導屏蔽（screening）電子氣來舒緩此排斥，LaAlO3和SrTiO3界面於是出現導電性和絕緣鐵電性共存之獨特現象。此突破性發現，更為界面超導與鐵磁共存提供一全新視角，供未來之理論與實驗工作探索。交大材料系朱英豪教授團隊提供高品質樣品與凝態中心陳正弦名譽教授提供寶貴的科學建議，亦是功不可沒。

過去12年來，LaAlO3和SrTiO3界面導電性起源一直處於由三位主要發現者詮釋的狀態，儘管他們的說法未獲普遍性認同。這是第一次有研究團隊可以突破此玻璃天花板，且是來自台灣的全本土團隊，實驗工作更是由李培瑋博士生獨力完成，難能可貴。李培瑋博士生剛開始接觸這個領域的頭三年，都處於碰撞摸索階段，將完整的數據整理完畢已經是博士班第四年快結束，接下來更用將近兩年的時間將這些數據背後的物理意義作透徹的分析，才得以揭開此一關鍵物理問題的謎底，其沈著穩健的特質在同儕中出類拔萃。