材料系暨前瞻綠材中心顏鴻威教授與國際團隊合作以碳化物工程研發鋼鐵之禦抗氫脆技術 榮登Nature Communications
2024/03/22
以碳化物晶體缺陷工程發展氫脆禦抗策略
淨零時代的氫能關鍵技術
材料科學與工程學系/前瞻綠色材料高值化研究中心顏鴻威教授與雪梨大學 Julie Cairney教授及北京清華大學陳浩教授組成國際研究團隊，共同研發鋼鐵禦抗氫脆之材料策略，研究成果刊登於《Nature Communications》期刊。
在金屬結構材料中，僅僅數百萬分之一(ppmw)等級的氫原子就可使材料在服役過程中發生災難性破壞，其主要原因在於氫原子的擴散將使承受荷載的鋼材產生微裂紋並快速其擴展，此材料破壞行為稱為氫脆(hydrogen embrittlement: HE)，是人類超過百年未解的難題。在當代淨零碳排的趨勢中，氫將成為重要能源大幅被製造、輸送與使用，但氫脆的發生可能造成巨大災害，因此，如何禦抗氫脆以避免氫災害成為全球關注之議題。
禦抗氫脆是人類百年來的挑戰，在材料設計的策略中，創造特殊微結構作為氫陷阱(hydrogen trap)以限制氫擴散是抑制氫脆的重要方法，鋼鐵中的典型氫陷阱為TiC奈米碳化物，雖然已經被使用超過20年，然而其抑制氫脆效果仍然有限。本研究團隊先以第一原理計算證實碳化物的碳空位(vacancy)是相當有效的氫陷阱，可抑制氫於鋼材中的擴散。為驗證此概念，研究團隊發展分別有TiC與(Ti, Mo)C界面析出奈米碳化物之先進高強度鋼材，然而，如何檢測奈米結構中微量的氫分佈為相當艱鉅的任務，研究團隊發展以氘代氫的原子針尖斷層影像儀(atom probe tomography: APT)技術，成功解析奈米碳化物之碳空位濃度與氫捕獲特性。研究成果發現複合型(Ti, Mo)C 擁有較高的碳空位濃度，並能將氫原子捕獲在碳化物晶體內的碳空位，而典型的TiC 則僅能以碳化物界面捕獲氫原子，因此，複合型(Ti, Mo)C較TiC擁有更高的氫捕獲能力。在材料工程上，Mo2+離子對TiC碳化物中Ti4+離子的非等電荷取代是創造碳空位缺陷之關鍵，此碳化物晶體缺陷工程可作為鋼鐵材料禦抗氫脆之策略，為本校淨零碳排研究之重要成果。
本校工學院顏鴻威教授研究鋼鐵中界面析出碳化物超過15年，從2016年起展開氫脆之研究，他與Julie Cairney教授以兩校USyd-NTU Partnership Collaboration Award (現NTU-USyd Ignition Grants)合作多年，雙方在複合型碳化物與氫陷阱相關研究上已共同發表多篇論文於Acta Materialia、Scripta Materialia、Materials & Design期刊，本次研究成果為長期合作之薈萃，內容涵蓋理論計算、材料設計、前瞻分析檢測，為本校長期投入國際跨域合作之重要成果。
圖一、先進高強度鋼中奈米級(a) TiC碳化物與(b)(Ti,Mo)C碳化物之穿透式電子顯微鏡分析，以及(c)兩種雛形鋼材之氫熱脫附分析。
圖二、先進高強度鋼中氘分佈與(a) TiC碳化物與(b)(Ti,Mo)C碳化物之原子針尖斷層影像儀分析，以及(c)碳化物縱深正常化化學成份疊加分析。