新成果：更不易碎的金属陶瓷被研制成功

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奈米工程学教授尼思·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。”