日前，一項由加州大學(xué)圣地亞哥分校和瑞典林雪平大學(xué)科研團隊的聯(lián)合研究項目取得進展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)佳電子濃度是控制難熔高熵碳化物斷裂抗力的關(guān)鍵參數(shù)，即增強陶瓷韌性的關(guān)鍵因素在于加入元素周期表第五和第六列的金屬，因為這些金屬具有更多的價電子。上述成果發(fā)表在“Science Advances”（科學(xué)進展）期刊第9卷37期。

論文地址：DOI: 10.1126/sciadv.adi2960

碳化物高熵陶瓷樣品（來源；加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院）

陶瓷材料的優(yōu)異性能無須贅述，但它們固有的脆性問題則是個長期的頑疾，它會導(dǎo)致陶瓷材料更容易斷裂失效，陶瓷增韌也由此受到關(guān)注。負責(zé)本次研究項目的領(lǐng)導(dǎo)者加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授Kenneth Vecchio表示，位于原子最外層并參與與其他原子成鍵的價電子的數(shù)量被證明是一個關(guān)鍵的決定因素。通過使用價電子數(shù)量較多的金屬，研究人員有效增強了材料在承受機械載荷和應(yīng)力時抵抗開裂的能力?！邦~外的電子很重要，因為它們有效地使陶瓷材料更具延展性，這意味著它在斷裂之前可以經(jīng)歷更多的變形，類似于金屬。”

注：價電子（valence electron）指原子核外電子中能與其他原子相互作用形成化學(xué)鍵的電子，為原子核外跟元素化合價有關(guān)的電子。過渡元素的價電子不僅是最外層電子，次外層電子及某些元素的倒數(shù)第三層電子也可成為價電子。價電子同時亦決定該元素的電導(dǎo)性能。一般來說，原子的價電子數(shù)越少，活性就越高。

為了深入了解該現(xiàn)象，加州大學(xué)和林雪平大學(xué)團隊進行合作，由林雪平團隊進行計算模擬，加州團隊負責(zé)制造測試。他們探索了眾多高熵碳化物的組合，發(fā)現(xiàn)其中兩種在承受載荷或應(yīng)力時表現(xiàn)出顯著的抗裂性，這主要是由于它們的價電子濃度升高。其中一種成分包括金屬釩、鈮、鉭、鉬和鎢，而另一種成分則用合金中的鉻代替鈮。

Vecchio表示，當(dāng)受到刺穿或拉力時，材料會引發(fā)鍵斷裂，從而產(chǎn)生原子大小的間隙。然而，金屬原子周圍的過剩價電子經(jīng)歷了重組，有效地橋接了這些間隙并在相鄰金屬原子之間形成了新的鍵。這一過程保留了間隙周圍材料的結(jié)構(gòu)，有效地阻止了間隙的擴展和裂紋的形成。“我們發(fā)現(xiàn)這種潛在的轉(zhuǎn)變發(fā)生在納米尺度上，其中鍵被重新排列以將材料固定在一起。這種材料不是直接劈開斷裂面，而是像繩子被拉動時一樣慢慢磨損。通過這種方式，材料可以適應(yīng)正在發(fā)生的這種變形，并且不會以脆性方式失效。”

編譯整理 YUXI