城大團隊研製出全球最強鎂合金材料
香港金屬結構材料科學家呂堅教授，於5月30日榮獲中國工程院頒發第12屆光華工程科技獎，亦是首次有3位來自香港的學者獲此殊榮。光華工程科技獎被視為中國工程科技領域的最高獎項。呂教授說：「能夠獲頒這個國內工程科技界的頂級獎項，我深感榮幸。」
呂教授是城大先進結構材料研究中心主任，其領導的研究團隊早前發現製造超納材料的新方法，成功研製出全球首創、強度最高的「雙相超納鎂合金」材料，並於國際權威學術期刊《自然》上發表並成為封面文章。
呂堅表示，鎂基超納雙相-玻璃納米晶材料將會成為新的原型材料，可用於生物降解植入，具有超高耐磨性能，病人可因此避免進行第2次手術以取出零件。
經過逾5年努力，呂堅和團隊成功研制兩相結構單元都小於10納米的合金膜結構，並將其名為鎂基超納雙相-玻璃納米晶（Supra-nano-dual-phase glass–crystal），當中超納定義為小於10納米，而玻璃為非晶體狀態。這是全球首創的合金結構系列。
這類新型材料的強度超過了所有已知鎂基納米材料，並接近理論上鎂基合金的強度極限，較現有超強鎂合金晶體材料高出10倍，變形能力較鎂基金屬玻璃高兩倍，並可發展成生物降解植入材料，植入人體後可被吸收及分解。
呂堅指出，這材料有極大應用潛力，鎂基超納雙相-玻璃納米晶材料將會成為新的原型材料，可用於生物降解植入，具有超高耐磨性能，病人可因此避免進行第二次手術以取出零件。同時，鎂是對身體有益的元素，有助康復。
此外，新材料可制成塗層加在人體膝蓋、臀部的人工關節上，提高關節的抗磨損和抗腐蝕能力，更可減低患者對人工關節金屬敏感的風險。新材料也可應用在各種不同的微機電系統，延長系統的壽命。
呂堅又指，鎂合金密度低，是理想的輕型結構材料，在消費電子工業（流動電話、平板及手提電腦）、航空及汽車領域都有廣泛的應用前景。
人們的常識中，固態金屬在常溫下是以金屬晶體的相態存在的。同種單質金屬或合金比例不變的情況下，構成金屬材料的微結構（如晶粒、孿晶等）形態、比例、大小等發生變化都會顯著影響金屬材料的性質，這就是材料學中一個被稱作金相學的獨立分支。隨著現代電子顯微鏡技術的發展，科學家和工程師們已經能夠從微觀的角度觀察金屬晶體了。
上世紀後半葉，科學家們發現隨著構成金屬材料的微結構尺寸不斷減小，材料的某些性質會發生變化。當單個晶粒的直徑達到100納米以下時，這些現像變得尤其明顯，例如材料的強度和硬度會大幅提高，而延展性和韌性會下降。
呂教授榮獲第12屆光華工程科技獎
由這種納米級微結構構成的金屬材料被稱作納米金屬材料，目前已經廣泛應用的納米結構硬質合金就是其中的代表。例如，鎢-碳納米硬質合金可以用來製造直徑不足一毫米的高強度鑽頭。
不為大眾所知的是，金屬材料能以勻質的非晶體相態存在，這一點和玻璃的微觀結構類似，因此此種形態下的金屬被稱為金屬玻璃。金屬玻璃具有良好的彈性和抵抗塑性形變的能力，高爾夫球桿的擊球部位就是由金屬玻璃製成的，可以在承受巨大衝擊後保持形狀不變。
過去的納米金屬材料很難達到理論上的強度。原因主要是在製備納米金屬晶體時存在一定的缺陷，從而導致整體材料強度不足。在相對低應力下，這一點表現的尤其突出。雖然近年來納米金屬材料的製備工藝顯著進步，但通過工藝改善單一相態的金屬納米材料存在極限。
呂堅等人嘗試了另一種思路，用非晶態的金屬玻璃包裹金屬納米晶體顆粒。呂堅等將納米級鎂－銅合金晶體嵌入了鎂－銅－釔合金的非晶態金屬外殼，製成了一種新型的鎂基雙相納米合金材料，並將此物料命名為鎂基超納雙相-玻璃納米晶結構。
（來源：綜合整理）
責任編輯：莫潔瑩
實習編輯：胡越
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