新成果：更不易碎的金属陶瓷被研制成功

高熵碳化物陶瓷样品，可以在断裂前承受更大的压力。（Liezel Labios/UC San Diego Jacobs School of Engineering）

陶瓷加入金属后，其硬度和抗裂性通常优于普通陶瓷，但仍存在易碎的问题，且人们尚未确定，为何陶瓷会出现这种变化。不久前，美国和瑞典大学的研究人员通过实验，不仅找到了使陶瓷更不易碎的方法，同时优化出更好的高熵碳化物陶瓷材料。该结果今年9月发表在《科学进展》杂志上。

由美国加州大学圣地牙哥分校纳米工程学教授尼思·维奇奥（Kenneth Vecchio）领导的团队，专门研究一种称为高熵碳化物（HEC）的陶瓷。这种高熵陶瓷属于一种类合金，熔点超过2000°C（3000K），里面主要用四种或多种金属元素组成，而每种金属元素的浓度高于5%，并与碳、氮、氧、硼或硅共同键合一起。

高熵碳化物（HEC）的陶瓷，与元素周期表第四、第五和第六列的碳化金属元素键结组成，形成一种具有高度无序的原子结构。这让陶瓷从易碎裂的特性，改变成具有可形变或拉伸的特质。

维奇奥教授团队为了更好理解这种效应，他们与瑞典的林雪平大学（Linköping University）的理论物理学教授达维·德桑乔瓦尼（Davide Sangiovanni）合作。德桑乔瓦尼教授负责计算模拟，维奇奥教授团队透过计算去实验制造并测试了这些材料。他们使用钛（Ti）、铌（Nb）、钨（W）、钒（V）、钽（Ta）和钼（Mo）等金属混入陶瓷中进行实验，最后共同研制出5种具有强化高熵碳化物的金属材料。

他们发现这种高熵碳化陶瓷在被刺穿或拉开时，材料之间的化学键会出现断裂，形成原子大小的开口，但金属与金属之间的共价电子（共价键）会重新组织起来，将开口愈合形成新的共价键。这种机制有效地抑制了开口变大和形成裂缝。

他们还发现，每种材料都会产生不同浓度的价电子（原子最外层并与其他原子结合的电子）数目，这是提高陶瓷韧性的关键。因此，他们选用价电子数量较多的元素周期表第五列和第六列金属，成功提高了陶瓷材料的机械载荷和承受力，改变了其容易开裂的性质。

最终，他们在实验中选定两种材料，一种是由金属钒、铌、钽、钼、钨和碳组成的材料混入陶瓷，另一种金属混合物是用铬代替铌组成混入陶瓷。

实验结果发现这两种混合材料，比其它材料拥有较高的价电子浓度（VEC），拥有更优异的负载能力，能够让陶瓷整体的延伸率提升22%至30%，同时有效抵抗陶瓷本身的易断裂的特性。

维奇奥教授告诉该校的新闻室：“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，这意味着它在断裂之前可以经历更多的变形，出现类金属的状态。”

他还说，“透过这种方法，解决陶瓷长期存在的局限性。我们可以极大地扩大其用途，同时创造出具有极高潜力的下一代材料。”

共同作者、同校的纳米工程系博士凯文·考夫曼（Kevin Kaufmann）表示，“我们发现在原子与原子之间的键被重新排列，让材料固定在一起。这种材料不是直接沿着断裂面劈开，而是像绳子被拉动时一样慢慢磨损。通过这种方式，材料可以适应正在发生的这种变形，而不是以脆性方式断裂。”

目前，这种材料最大的挑战在于商业化和投入实际应用的过程。若这项技术能够投入实际应用，可能有效改善过往的陶瓷材料的缺点，让陶瓷材料用途更加广泛，也为陶瓷在极端环境下的应用铺平道路，例如高超音速飞行器的前缘。

这项研究得到了瑞典研究委员会、功能性纳米材料能力中心、加州大学圣地牙哥分校纳米工程系材料研究中心和美国国家国防科学与工程研究的资助。