高熵合金與先進金屬——城大材料學的旗艦研究線

香港城市大學(CityUHK)綜合信息數據庫 · 04 科研模塊 · 材料學深挖系列 本文聚焦城大材料科學的旗艦前沿方向——高熵合金(High-Entropy Alloys, HEA)與先進金屬材料，梳理其代表性突破與學科排名地位。總覽與其他標誌性突破（鈣鈦礦、PEN、液滴發電）見 materials-and-engineering-research.md。

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傳統合金的配方邏輯近乎直覺：挑一種金屬當主角，比如鋼以鐵為主，再摻入少量其他元素調味。高熵合金反其道而行——由五種或更多金屬元素以接近等比例混合，刻意製造一種原子排布上的「混亂」。反直覺的是，這種混亂不僅沒有讓材料變差，反而帶來一系列異乎尋常的性能：高強度、高韌性、耐高温、耐腐蝕、抗輻照。這也是為什麼高熵合金被寄望用於航空航天、汽車設計、核工程這類極端環境。城大在這一前沿方向上聚集了一批活躍的研究者，數年間在《Nature》《Science》及材料類頂刊上密集發表，逐漸形成具國際辨識度的「城大學派」。

# 一、什麼是高熵合金，為何重要

傳統合金通常以一種金屬為主元（如鋼以鐵為主），再摻入少量其他元素。高熵合金則反其道而行：由五種或更多金屬元素以接近等比例混合而成，其混亂（高熵）的原子排布反而帶來一系列異乎尋常的性能——高強度、高韌性、耐高温、耐腐蝕、抗輻照等。這使 HEA 被寄望用於航空航天、汽車設計、核工程等極端環境（城大研究報道^※）。

城大在這一前沿方向上聚集了一批活躍的研究者，數年間在《Nature》《Science》及材料類頂刊上密集發表，逐漸形成具國際辨識度的「城大學派」。

# 二、代表性研究成果（均附公開來源）

# 2.1 熱穩定高熵合金：用鈷「鎖住」納米顆粒(2022)

2022 年 11 月^※，城大材料科學家發現：通過調控高熵合金中鈷(cobalt)的濃度，可以阻止合金內的納米顆粒在高温下迅速粗化(coarsening)。納米顆粒粗化會使材料在高温下性能劣化，而這項發現為開發可在高温極端環境中服役的下一代高熵合金鋪平了道路，被點名指向航空航天、汽車與核工程應用。

# 2.2 強度與延展性兼得：異質應變強化新機理(2022)

材料的「強度」與「延展性」通常此消彼長——越硬往往越脆。2022 年 8 月^※，一支由城大楊姓教授(Professor Yang Yong)共同領銜的團隊發現，多主元合金(multi-principal element alloys)中的異質應變場(heterogeneous strain fields)可通過一種異質應變誘導強化(heterogeneous strain-induced strengthening)的新機理，同時提升材料的力學性能，打破強度—延展性的傳統取捨。

# 2.3 超低温下的多階段變形

國際研究團隊（由城大科學家領銜）發現，高熵合金在超低温下展現出異常優異的力學性能，其原因是材料內多種變形機制並存——即所謂多階段變形過程(multi-stage deformation process)（SciTechDaily 報道^※）。這對低温服役環境（如航天、深空、低温儲運）的材料選型有直接意義。

# 2.4 增材製造金屬的疲勞性能

據 《Advanced Materials》城大建校 30 週年材料研究特刊(2024)^※綜述，城大呂姓教授(Professor Jian Lu)與同事研究了增材製造（3D 打印）金屬合金的疲勞性能；楊姓教授(Professor Yong Yang)與同事則就具有嚴重晶格畸變(severe lattice distortion)的多功能高熵合金作了綜述。這兩條線分別對應「先進製造」與「基礎機理」兩個維度。

# 2.5 金屬間化合物也能「強而不脆」：晶格畸變的反常用法(2024)

金屬間化合物(intermetallic compound)向來是材料學裏「強度換脆性」的典型——原子排列高度有序、結合方式接近陶瓷，硬則硬矣，一掰就斷，工程上極少直接單獨使用。楊姓教授團隊把高熵合金的「混亂」邏輯搬進了這個原本追求「整齊」的材料家族：設計出一種單相 B2 結構的高熵金屬間化合物，其晶格因多主元共存而高度畸變、化學有序又不完全有序，從而激活多重滑移系統、產生動態硬化機制——位錯滑移不但不使材料軟化，反而持續強化，令其在寬温域內都不出現傳統合金常見的「熱軟化斷崖」，塑性表現優於多種體心立方(BCC)與 B2 合金(據 《Nature Communications》(2024-08)論文^※)。這項成果把「利用混亂換性能」的高熵合金思路，從傳統合金結構一路延伸到了以「脆」著稱的金屬間化合物領域。

# 2.6 共晶高熵合金再突破：用「異質性」同時馴服強度與韌性(2024)

2.2 節講到的異質應變誘導強化機理，兩年後在共晶高熵合金(eutectic high entropy alloy)——一種由兩相交替排列構成的雙相體系——上有了更精細的續篇。《Communications Materials》(2024-02)論文^※顯示，團隊通過同時優化化學與微結構層面的異質性，在共晶高熵合金中實現了強度—韌性權衡的進一步突破。與 2022 年的發現相比，這項工作把「異質性調控」從單相合金推進到更複雜的雙相共晶體系，説明這套思路具有跨結構類型的普適性，而非某個特定合金的偶然結果。

# 2.7 「隱藏應變序」：把超彈性調成一枚旋鈕(2026)

超彈性材料（受力後能大幅變形、卸載後又能恢復原狀）在醫療器械、精密儀器上用途廣泛，但傳統超彈性合金的彈性行為通常是「固定出廠設置」，難以按需調節。《Nature Communications》(2026)論文^※報道，楊姓教授團隊通過成分調控，讓一種高熵合金的彈性行為可在「胡克型超彈性」與「非胡克型超彈性」之間連續、可逆地切換，後者可實現約 8% 的超高可恢復應變。團隊將這種可調性歸因於一種此前未被識別的「隱藏應變序」(hidden strain order)——由兩種彼此競爭的相「受挫結晶」(frustrated crystallization)產生的局部晶格畸變，構成一個不均勻的應變場，進而調製材料的相穩定性、相變傾向與彈性響應；團隊結合原子尺度應變成像與第一性原理計算驗證了這一機制。這項工作把高熵合金的「可調設計」思路，從強度、延展性延伸到了彈性行為本身。

# 2.8 從「更強更韌」到「更多用途」：能量吸收材料、柔性氧化物膜與抗氫脆(2025–2026)

近兩年，城大高熵合金研究線明顯從單純的結構強化，擴展到更多元的功能場景：

• 宏觀尺度能量吸收架構合金。《Nature Communications》(2026)論文^※報道，團隊以機器學習篩選出可發生旋節分解(spinodal decomposition)的多主元合金成分，經電化學脱合金處理製成體塊尺度的架構化合金，其結構從原子級晶格畸變、納米級析出物與非晶氧化層，到微米級韌帶、宏觀網絡尺寸，橫跨七個數量級，藉此實現協同變形機制。所得材料的能量吸收能力在體塊樣品上約 106 MJ/m³、在微米級樣品上高達約 305 MJ/m³，克服了傳統 3D 打印微納晶格「難以放量」與常規泡沫材料「強度—延展性兩難」的老問題。
• 柔性電子用二維高熵氧化物膜。《Nature Communications》(2025)論文^※報道，團隊在水凝膠中原位構建納米氧化物骨架，製成抗斷裂的高熵氧化物(HEO)自支撐納米膜，延展率接近 90%、韌性超過 300 MJ/m³，優於傳統金屬/金屬氧化物薄膜及多種先進二維材料，可見光透過率達 83.2%，對多種基材附着力強——直指柔性電子器件長期受限於金屬氧化物薄膜「脆」的痛點。
• 醫用/核用場景的老問題：抗氫脆。據 城大學者庫(scholars.cityu.edu.hk)^※，CrCoNi 中熵合金原本存在明顯的氣態氫脆化問題，團隊發現通過觸發碳、硼、鉻的共偏聚(co-segregation)，可大幅抑制這一現象，將材料的延展性損失從 71% 壓低至約 16%——這類抗氫脆合金對氫能儲運裝備、核電管道等氫環境服役場景意義直接。

這幾項工作合在一起，勾勒出城大高熵合金研究線的一個轉向：從早年聚焦「強度—延展性—熱穩定性」的結構材料敍事，逐步擴展到能量吸收、柔性電子、氫環境耐受等更廣的功能應用光譜。

# 2.9 回到起點：生物醫用植入物與耐火合金綜述，驗證「極端環境」的兩端

本文開篇提到高熵合金被寄望用於航空航天、汽車設計與核工程等極端環境，這個判斷在城大的研究產出裏能找到兩處具體落點——恰好分別對應「極端」的兩端：人體內環境與超高温環境。

• 骨科植入物端：團隊針對生物醫用 TiZrTaNbMo 高熵合金，系統梳理了其成分、微結構與性能之間的基本關係(據 《Materials Science and Engineering: A》(2024)論文^※)。該體系由鈦、鋯、鉭、鈮、鉬五種生物相容性金屬構成，兼具低楊氏模量（更接近人骨、可減少「應力遮擋」）、高強度與良好的耐磨耐蝕性——公開數據顯示同類 TiZrNbTaMo 體系可達約 153 GPa 楊氏模量、約 1390 MPa 壓縮屈服強度、約 6% 塑性應變，是繼本站 材料與工程研究總覽 中雙相納米鎂合金之後，城大在可植入醫用金屬方向的又一條產品線。
• 超高温結構端：另一支團隊則系統綜述了耐火型多主元合金/複雜濃縮合金(refractory complex concentrated alloys, RCCA)的設計路徑(據 《Current Opinion in Solid State & Materials Science》(2026)綜述^※)，覆蓋從經驗規則到機器學習驅動的成分發現、常温脆性抑制策略、抗氧化與增材製造可行性等議題，直指傳統鎳基高温合金在超過 1200℃場景下的性能天花板，服務航空發動機、能源與國防等應用。

從「體內 37℃」到「發動機艙 1200℃以上」，城大的高熵合金研究幾乎覆蓋了材料服役温度譜的兩端，也印證了本文開篇所引「航空航天、汽車設計、核工程」這一應用清單並非虛指。

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# 三、應用前沿：從結構材料走向能源轉化

高熵合金早年的敍事幾乎都圍繞「更強、更韌、更耐高温」的結構性能展開；但過去兩三年，城大這條研究線的一個明顯趨勢是往能源與催化方向延伸——高熵合金開始被當作一類「多主元協同」的功能材料來設計，而不只是結構材料。

電解水制氫：用「無序」換低成本高活性。 城大先進結構材料研究中心(CASM)的團隊把高熵合金多主元協同的效應，與金屬間化合物「結構位點分離」的優勢結合，通過調控合金的有序/無序結構，設計出週期性原子排布的高熵金屬間化合物催化劑，用於電解水制氫——在電流密度 10 mA/cm² 下，析氫過電位低至約 88.2 mV，活性可與鉑等貴金屬催化劑相當，而成本大幅降低（據 城大先進結構材料研究中心頁面^※）。該中心亦見於 institutes-and-labs.md 的平台清單，是城大材料/工程多個前沿方向共用的重要基礎設施。

高熵合金納米顆粒：從十種元素到「電催化制氨」。 《美國化學會志》(JACS, 2026)論文^※報道，一支以城大化學系約翰尼·何姓教授(Professor Johnny C. Ho)為共同作者的團隊，開發出一種納米流體輔助合成方法：以鋅作為「推進劑」構建互聯納米通道，引導多金屬納米流體流動並觸發合金化，一次性將十種互不相溶的元素合成為應變高熵合金納米顆粒。將其用於硝酸根電催化轉化為氨的反應，法拉第效率高達 94.8% ± 4.34%，並能穩定運行超過 720 小時——這既指向工業廢水中硝酸鹽污染的資源化處理，也呼應「綠色合成氨」這一化肥/儲能領域的前沿課題。

串起來看：結構與功能的兩條腿。 若把 2.8 節提到的抗氫脆 CrCoNi 中熵合金也算進來，城大的高熵合金研究實際上已經覆蓋了氫能產業鏈的兩端——上游的電解水制氫催化劑、以及下游儲運裝備對抗氫脆的結構材料——外加電催化合成氨這一銜接農業與能源的應用場景。這種「一種材料家族、多點佈局」的打法，與城大材料學「有所為有所不為」的整體策略（見下節）相互印證。

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# 四、學科地位：排名上的「全港第一」

城大材料學的研究密度，直接反映在學科排名上：

口徑提醒：學科排名逐年波動，「全港第一/世界前 50」均以特定年度、特定榜單為準。本館所引為 QS by Subject 2026 與城大官方綜述，跨年比較請回到 03-rankings/subject-rankings.md 核對歷年數據。

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# 五、為何材料學成為城大的「王牌」

綜合公開資料，城大材料學之所以能形成集羣優勢，大致有幾條結構性原因：

1. 學科聚焦明確。城大體量在港八大中偏小，長期採取「有所為有所不為」的策略，把資源集中投向材料、工程、計算等少數高產學科，而非追求全科齊全。
2. 專利與轉化導向。城大長期以「獲美國專利全球百強大學」自況（全港第一、亞洲前列^※的口徑見概覽模塊），材料/工程是專利產出的主力學科。
3. 國際化團隊。城大國際教員約佔七成（詳見 00-overview/facts-and-figures.md），材料學團隊的國際合作網絡密集，前述多項成果均為跨國團隊領銜。
4. 三十年積澱。《Advanced Materials》於 2024 年專門以特刊紀念城大建校 30 週年的材料研究^※，側面印證這條研究線已有相當歷史厚度，而非一時之功。

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# 六、小結

城大材料學的旗艦地位，建立在高熵合金 / 多主元合金這一前沿方向的持續突破之上：從「鈷調控抑制納米顆粒粗化」的熱穩定化策略、「異質應變誘導強化」打破強度—延展性取捨，到超低温多階段變形機理、增材製造金屬疲勞研究，再到近兩年密集出現的晶格畸變金屬間化合物、共晶合金異質性再突破、「隱藏應變序」可調超彈性，以及能量吸收架構合金、柔性氧化物膜、抗氫脆合金等功能延伸，城大在該領域形成了從基礎機理到工程應用、從結構材料到能源催化的完整鏈條。這條研究線既是城大材料學科長期領跑全港、躋身世界前列的底氣，也是其「小而精、重轉化」辦學策略的最佳註腳。

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