日前，一項由加州大學圣地亞哥分校和瑞典林雪平大學科研團隊的聯合研究項目取得進展，科學家們發現佳電子濃度是控制難熔高熵碳化物斷裂抗力的關鍵參數，即增強陶瓷韌性的關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。上述成果發表在“Science Advances”（科學進展）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；加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院）

陶瓷材料的優異性能無須贅述，但它們固有的脆性問題則是個長期的頑疾，它會導致陶瓷材料更容易斷裂失效，陶瓷增韌也由此受到關注。負責本次研究項目的領導者加州大學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量被證明是一個關鍵的決定因素。通過使用價電子數量較多的金屬，研究人員有效增強了材料在承受機械載荷和應力時抵抗開裂的能力。“額外的電子很重要，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鍵的電子，為原子核外跟元素化合價有關的電子。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性能。一般來說，原子的價電子數越少，活性就越高。

為了深入了解該現象，加州大學和林雪平大學團隊進行合作，由林雪平團隊進行計算模擬，加州團隊負責制造測試。他們探索了眾多高熵碳化物的組合，發現其中兩種在承受載荷或應力時表現出顯著的抗裂性，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，當受到刺穿或拉力時，材料會引發鍵斷裂，從而產生原子大小的間隙。然而，金屬原子周圍的過剩價電子經歷了重組，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構，有效地阻止了間隙的擴展和裂紋的形成。“我們發現這種潛在的轉變發生在納米尺度上，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，材料可以適應正在發生的這種變形，并且不會以脆性方式失效。”

編譯整理 YUXI