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金屬陶瓷新成果：更不易碎的金屬陶瓷被研制成功

發(fā)布時(shí)間： 2023/11/10

　　陶瓷加入金屬后，其硬度和抗裂性通常優(yōu)于普通陶瓷，但仍存在易碎的問題，且人們尚未確定，為何陶瓷會(huì)出現(xiàn)這種變化。不久前，美國和瑞典大學(xué)的研究人員通過實(shí)驗(yàn)，不僅找到了使陶瓷更不易碎的方法，同時(shí)優(yōu)化出更好的高熵碳化物陶瓷材料。該結(jié)果今年9月發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。
　　　

　　由美國加州大學(xué)圣地牙哥分校奈米工程學(xué)教授尼思·維奇奧（Kenneth Vecchio）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，專門研究一種稱為高熵碳化物（HEC）的陶瓷。這種高熵陶瓷屬于一種類合金，熔點(diǎn)超過2000°C（3000K），里面主要用四種或多種金屬元素組成，而每種金屬元素的濃度高于5%，并與碳、氮、氧、硼或硅共同鍵合一起。
　　高熵碳化物（HEC）的陶瓷，與元素周期表第四、第五和第六列的碳化金屬元素鍵結(jié)組成，形成一種具有高度無序的原子結(jié)構(gòu)。這讓陶瓷從易碎裂的特性，改變成具有可形變或拉伸的特質(zhì)。
　　維奇奧教授團(tuán)隊(duì)為了更好理解這種效應(yīng)，他們與瑞典的林雪平大學(xué)（Link?ping University）的理論物理學(xué)教授達(dá)維·德桑喬瓦尼（Davide Sangiovanni）合作。德桑喬瓦尼教授負(fù)責(zé)計(jì)算模擬，維奇奧教授團(tuán)隊(duì)透過計(jì)算去實(shí)驗(yàn)制造并測(cè)試了這些材料。他們使用鈦（Ti）、鈮（Nb）、鎢（W）、釩（V）、鉭（Ta）和鉬（Mo）等金屬混入陶瓷中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后共同研制出5種具有強(qiáng)化高熵碳化物的金屬材料。
　　他們發(fā)現(xiàn)這種高熵碳化陶瓷在被刺穿或拉開時(shí)，材料之間的化學(xué)鍵會(huì)出現(xiàn)斷裂，形成原子大小的開口，但金屬與金屬之間的共價(jià)電子（共價(jià)鍵）會(huì)重新組織起來，將開口愈合形成新的共價(jià)鍵。這種機(jī)制有效地抑制了開口變大和形成裂縫。
　　他們還發(fā)現(xiàn)，每種材料都會(huì)產(chǎn)生不同濃度的價(jià)電子（原子最外層并與其他原子結(jié)合的電子）數(shù)目，這是提高陶瓷韌性的關(guān)鍵。因此，他們選用價(jià)電子數(shù)量較多的元素周期表第五列和第六列金屬，成功提高了陶瓷材料的機(jī)械載荷和承受力，改變了其容易開裂的性質(zhì)。
　　最終，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中選定兩種材料，一種是由金屬釩、鈮、鉭、鉬、鎢和碳組成的材料混入陶瓷，另一種金屬混合物是用鉻代替鈮組成混入陶瓷。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種混合材料，比其它材料擁有較高的價(jià)電子濃度（VEC），擁有更優(yōu)異的負(fù)載能力，能夠讓陶瓷整體的延伸率提升22%至30%，同時(shí)有效抵抗陶瓷本身的易斷裂的特性。
　　維奇奧教授告訴該校的新聞室：“這些額外的電子很重要，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，出現(xiàn)類金屬的狀態(tài)。”
　　他還說，“透過這種方法，解決陶瓷長(zhǎng)期存在的局限性。我們可以極大地?cái)U(kuò)大其用途，同時(shí)創(chuàng)造出具有極高潛力的下一代材料。”
　　共同作者、同校的奈米工程系博士凱文·考夫曼（Kevin Kaufmann）表示，“我們發(fā)現(xiàn)在原子與原子之間的鍵被重新排列，讓材料固定在一起。這種材料不是直接沿著斷裂面劈開，而是像繩子被拉動(dòng)時(shí)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，而不是以脆性方式斷裂。”
　　目前，這種材料最大的挑戰(zhàn)在于商業(yè)化和投入實(shí)際應(yīng)用的過程。若這項(xiàng)技術(shù)能夠投入實(shí)際應(yīng)用，可能有效改善過往的陶瓷材料的缺點(diǎn)，讓陶瓷材料用途更加廣泛，也為陶瓷在極端環(huán)境下的應(yīng)用鋪平道路，例如高超音速飛行器的前緣。
　　這項(xiàng)研究得到了瑞典研究委員會(huì)、功能性奈米材料能力中心、加州大學(xué)圣地牙哥分校奈米工程系材料研究中心和美國國家國防科學(xué)與工程研究的資助。

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