日前，一項(xiàng)由加州大學(xué)圣地亞哥分校和瑞典林雪平大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合研究項(xiàng)目取得進(jìn)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(qiáng)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?yàn)檫@些金屬具有更多的價(jià)電子。上述成果發(fā)表在“Science Advances”（科學(xué)進(jìn)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(lái)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(wú)須贅述，但它們固有的脆性問(wèn)題則是個(gè)長(zhǎng)期的頑疾，它會(huì)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(fù)責(zé)本次研究項(xiàng)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(jià)電子的數(shù)量被證明是一個(gè)關(guān)鍵的決定因素。通過(guò)使用價(jià)電子數(shù)量較多的金屬，研究人員有效增強(qiáng)了材料在承受機(jī)械載荷和應(yīng)力時(shí)抵抗開(kāi)裂的能力。“額外的電子很重要，因?yàn)樗鼈冇行У厥固沾刹牧细哐诱剐裕@意味著它在斷裂之前可以經(jīng)歷更多的變形，類(lèi)似于金屬。”

注：價(jià)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(jià)有關(guān)的電子。過(guò)渡元素的價(jià)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(jià)電子。價(jià)電子同時(shí)亦決定該元素的電導(dǎo)性能。一般來(lái)說(shuō)，原子的價(jià)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(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，由林雪平團(tuán)隊(duì)進(jìn)行計(jì)算模擬，加州團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)制造測(cè)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(shí)表現(xiàn)出顯著的抗裂性，這主要是由于它們的價(jià)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(shí)，材料會(huì)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?chē)倪^(guò)剩價(jià)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(guò)程保留了間隙周?chē)牧系慕Y(jié)構(gòu)，有效地阻止了間隙的擴(kuò)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(kāi)斷裂面，而是像繩子被拉動(dòng)時(shí)一樣慢慢磨損。通過(guò)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(huì)以脆性方式失效。”

編譯整理 YUXI