像鐵和鋁這樣的金屬在我們周圍這個現代世界中隨處可見——從汽車到風力渦輪機——因為它們是強度高、重量輕、成本低的材料。但是，當這些金屬遇熱後，它們的機械效能和強度將會受到影響。因此，在不斷髮展的行業中，比如發電和化工，對於能夠耐受高溫的先進結構材料的需求持續增長。
圖1. 像鐵和鋁這樣的金屬在我們周圍這個現代世界中隨處可見——從汽車到風力渦輪機——因為它們是強度高、重量輕、成本低的材料。
為了滿足對於耐熱材料的需要，研究人員開發了一種利用氧化物顆粒強化金屬的新方法。
材料科學工程教授和他的課題組研究出一種在塊狀合金中彌散分佈氧化物顆粒的兩步法工藝。
首先，將塊狀合金置於特定的氣氛條件下，使其迅速發生內氧化；然後，採用一種稱為深度塑性變形的工藝，使合金內部產生的氧化物顆粒均勻分佈和細化。
Webler以鐵鋁合金為例作了解釋說明。“如果您拿一種鋁原子溶解在鐵基體中的塊狀材料，把它放在合適的氣氛條件下，就能在鐵基體內部生成很小的氧化鋁顆粒，”Webler說。“透過使這些細小的氧化物顆粒均勻地分佈在金屬基體中，您就得到了一種比金屬本身效能更好的複合材料。這些氧化物非常穩定，在高溫下不會發生變化。”
Webler在大學進行的研究重點考察金屬與環境的反應。一個簡單的化學反應從另一面給這項工作帶來了新的啟示。
“當研究人員在考察金屬怎樣和周圍環境反應時，他們往往是設法防止發生對材料結構有潛在危害的反應。但是，我們同樣可以在金屬處理中把化學反應作為改善材料效能的一種手段，”Webler指出。
該方法為現有的氧化物顆粒金屬強化方法提供了一種獨特而可行的選項。目前，氧化物彌散強化(ODS)合金都採用粉末冶金工藝製造，將金屬粉末和氧化物粉末混合後加熱加壓使粉末顆粒固結。
Webler研究出的塊狀合金ODS方法可以用於多種合金體系，但課題組首先選擇了鐵-釔體系作為基礎研究的樣板（圖2）。
圖2. 採用等通道轉角擠壓工藝進行深度塑性變形處理後的鐵-釔氧化合金的掃描電鏡照片(放大倍數5,000x)。淺色區域是Y2O3，灰色基體是鐵。研究的目標是使Y2O3在鐵基體中儘可能均勻地彌散分佈。
鐵-釔合金的內氧化速度很快，對於獲得氧化行為資料十分有利。目前，課題組正在為達成多項主要研究目標而加緊工作。
課題組正在研究氧化速度，還在設法對氧化物顆粒的彌散水平進行更好的量化。另外，Webler也在和卡內基梅隆大學的同事、材料科學工程助理教授Yoosuf Picard合作研究材料的表徵技術。Picard正在研究的一個課題是，怎樣更深入地瞭解氧化物顆粒改變金屬行為的機理。
雖然尚處在研究階段，但這種塊狀合金處理方法的成本明顯低於粉末冶金，工藝控制也將更精確。
附文：實驗室揭開材料的秘密
Adam Dove
在1915年，威廉·亨利·布拉格爵士和他的兒子威廉一起獲得了諾貝爾獎，這是諾貝爾獎首次頒發給材料表徵技術。
布拉格父子利用X射線分析了岩鹽的晶體結構，這是第一種被分析出來的晶體結構。他們的成功揭開了探索材料表徵領域的序幕，使人類能夠深入研究材料的內部結構——微觀結構和化學組成——以揭開它們的秘密。
透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)如今是材料研究的首選工具。這些價值數百萬美元的複雜裝置需要經過充分培訓才能使用。
圖3. 卡內基梅隆大學材料表徵實驗室擁有材料結構和成分表徵需要的各種顯微鏡、分光計和衍射儀，讓使用者能夠以全新的方向進行材料表徵。
在大學的材料表徵實驗室(MCF)，學生和教師們能夠接觸到所有目前最先進的材料表徵技術。實驗室也歡迎來自其他大學和業界的使用者。
“微觀結構使材料表現出了特定的效能，”卡內基梅隆大學材料科學工程教授、MCF聯合主任Marc De Graef說。“如果我們能夠了解微觀結構，我們就能開始考慮如何改變它以影響材料的行為——讓它強度更高，導熱性更好，更耐腐蝕，或者具有其他您需要的效能。”
MCF擁有材料結構和成分表徵需要的各種顯微鏡、分光計和衍射儀，讓使用者能夠以全新的方向進行材料表徵。
材料科學工程專業的博士研究生Isha Kashyap就是一個典型例子。
Kashyap的研究方向是鐵磁性形狀記憶合金的結構。透過使用洛倫茲透射電子顯微鏡(LTEM)——美國的大學僅有的幾臺LTEM之一——Kashyap研究了這些合金的缺陷和質量。它們被用在磁致伸縮執行器中，這是一種將能量轉化為運動的裝置。
“執行器的效能取決於合金的效能，而合金的效能取決於原子水平上的相互作用。這些相互作用只有使用具有奈米級解析度的功能強大的儀器才能觀察到，”Kashyap解釋說。
Saransh Singh是計算研究的例子，他花了3年的時間來開發掃描電鏡觀察到的影象和衍射圖譜的模擬軟體。Singh在網上免費提供自己編寫的定製軟體，它能夠預測材料表徵實驗的結果，無需使用昂貴的高效能顯微鏡進行材料分析。
Singh的軟體有很多用途，其中之一是工業應用。
製造商經常需要開發一種自己想要使用的材料，但它們必須保證材料具有期望的效能。此外，它們還需要保證材料在整個壽命期內始終表現出可預測的行為。MCF的儀器和Singh的軟體配合使用，能夠得到預測材料將來的行為所必需的資訊。
“MCF的儀器對我的工作太重要了，”Singh說。“我能立刻檢查我的理論，確認它是否正確。您可以提出任何您希望的理論，但除非您得到了實驗的驗證，否則它對任何人都毫無用處。”
在短短的4年內，材料表徵實驗室就促成了超過320篇研究論文在同行評審期刊上的發表。
