富含电子的金属使陶瓷不易破裂

　　研究人员发现了一种使陶瓷更坚硬、更抗裂的方法。由加州大学圣地亚哥分校的工程师领导的一个团队，通过使用在其外壳中拥有更多电子的金属原子的混合物来制造这些材料，已经释放了使陶瓷能够处理比以前更高水平的力和应力的潜力。

　　陶瓷由于其卓越的性能提供了许多优势，包括它们能够承受极高的温度，抗腐蚀和表面磨损，并保持轻质型材。这些特性使其适用于各种应用，如航空航天部件和发动机和切削工具的保护涂层。然而，他们的弱点一直是他们的脆弱。它们在压力下容易断裂。

　　但现在，研究人员已经找到了一种解决方案，可以使陶瓷更难破碎。他们最近在《科学进展》上发表了他们的研究成果。

　　这项研究由加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授肯尼斯·维奇奥领导，主要研究一类被称为高熵碳化物的陶瓷。这些材料具有高度无序的原子结构，由碳原子与元素周期表第四、第五和第六列的多种金属元素结合而成。

　　例如，这些金属包括钛、铌和钨。研究人员发现，提高陶瓷韧性的关键在于使用元素周期表第五和第六列的金属，因为它们的价电子数量更多。

　　价电子——那些位于原子最外层并与其他原子成键的电子——被证明是一个关键因素。通过使用具有更高价电子数的金属，研究人员成功地提高了材料在承受机械载荷和应力时的抗开裂性。

　　维奇奥说:“这些额外的电子很重要，因为它们有效地使陶瓷材料更具延展性，这意味着它在破裂之前可以经历更多的变形，就像金属一样。”

　　为了更好地理解这种效应，维奇奥的团队与瑞典link?ping大学的理论物理学教授戴维德·桑乔瓦尼合作。桑乔瓦尼进行了计算模拟，维奇奥的团队通过实验制造并测试了这些材料。

　　该团队研究了高熵碳化物，其特征是五种金属元素的不同组合。每种组合在材料中产生不同的价电子浓度。

　　他们发现了两种高熵碳化物，由于它们的高价电子浓度，它们在载荷或应力下表现出非凡的抗开裂性。一种是由钒、铌、钽、钼和钨等金属组成。另一种变体在混合物中用铬取代了铌。

　　在机械载荷或应力下，这些材料能够分别变形或拉伸，类似于金属的行为，而不是陶瓷的典型脆性反应。当这些材料被刺穿或拉开时，化学键开始断裂，形成原子大小的开口。

　　金属原子周围额外的价电子然后重新排列以弥补这些开口，在邻近的金属原子之间形成新的键。这种机制保留了开口周围的材料结构，有效地抑制了它们变大和形成裂缝。

　　“我们发现，在纳米尺度上发生了这种潜在的转变，化学键被重新排列，将材料粘合在一起，”研究报告的合著者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程博士、维奇奥实验室校友凯文·考夫曼(Kevin Kaufmann)说。“这种材料不是直接在断裂表面切割，而是像绳子被拉时一样慢慢磨损。通过这种方式，材料可以适应正在发生的这种变形，而不会以脆性的方式失效。”

　　现在的挑战在于扩大这些坚韧陶瓷的生产规模，用于商业应用。这可能有助于改变依赖于高性能陶瓷材料的技术，从航空航天部件到生物医学植入物。

　　这些陶瓷新发现的韧性也为它们在极端应用中的应用铺平了道路，比如高超音速飞行器的前缘。维奇奥解释说，更坚固的陶瓷可以作为这些飞行器的一线防御，保护重要部件免受碎片的撞击，使飞行器更好地在超音速飞行中生存。

　　Vecchio说:“通过解决陶瓷的长期限制，我们可以极大地扩展它们的使用范围，并创造出下一代材料，这些材料有可能彻底改变我们的社会。”