突破性鋁合金設計：兼顧高強度與抗氫脆特性

鋁合金以其輕量化與耐腐蝕特性聞名，成為低碳經濟應用的理想選擇，從輕量化汽車到綠氫儲存槽都能看見其蹤影。然而，這類材料長期面臨一項關鍵挑戰：暴露於氫環境時會產生脆化現象，導致裂紋與結構失效。過去具備抗氫脆特性的合金往往強度不足，嚴重限制其在需要高強度的氫能技術領域的應用。

如今，德國馬克斯普朗克永續材料研究所（MPI-SusMat）攜手中日研究團隊，成功開發出突破性的合金設計策略。這項創新方案能同時實現卓越強度與優異的抗氫脆效能，為氫能經濟中的鋁合金元件開創更安全、更高效的應用前景。相關研究成果已發表於頂尖期刊《自然》。

這項技術突破的核心在於含鈧鋁鎂合金中複雜的尺寸篩選析出策略。透過兩階段熱處理程式，研究團隊成功在奈米級Al₃Sc析出物表面，原位形成結構高度複雜的Al₃(Mg,Sc)₂殼層。這種雙重奈米析出物均勻分佈於合金中，發揮關鍵作用：Al₃(Mg,Sc)₂相能有效捕捉氫原子提升抗脆化能力，而細小的Al₃Sc顆粒則強化材料強度。

「我們的新設計策略解決了傳統取捨難題，」MPI-SusMat原子探針斷層掃描團隊負責人、論文通訊作者Baptiste Gault教授強調：「現在不必在強度與抗氫性之間妥協，這款合金能同時滿足兩項需求。」

實驗資料令人驚艷：相較無鈧合金，新材料強度提升40%，抗氫脆效能更提高五倍。即使在氫濃度達7 ppmw的環境下，仍能保持優異的均勻拉伸延展性，創下鋁合金在此條件下的新紀錄。

研究團隊運用原子探針斷層掃描技術，在原子尺度驗證Al₃(Mg,Sc)₂相的氫捕捉機制，從基礎層面解析合金設計原理。合作機構則透過電子顯微鏡與模擬計算進行輔助驗證。

這項技術已於多種鋁合金系統中測試成功，並採用工業標準的水冷銅模鑄造與熱機械加工製程，證實其量產可行性。此研究成果為氫能時代量身打造的新一代鋁合金材料奠定基礎，兼具安全性、高強度與工業化應用潛力。

本項研究由中國西安交通大學、上海交通大學與MPI-SusMat共同主導完成。

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