科学家们发现了一种使陶瓷更坚硬、更耐开裂的方法
站长云网科学家们发现了一种使陶瓷更坚硬、更耐开裂的方法。由加州大学圣迭戈分校工程师带头的一个研究小组通过在这些材料中混合使用外层电子数更多的金属原子，挖掘出了使陶瓷能够承受比以往更高强度和应力的潜力。
陶瓷因其卓越的特性而具有许多优势，包括能够承受极高的温度、抗腐蚀和表面磨损，以及保持轻质外形。这些特性使它们适用于各种应用，如航空航天部件以及发动机和切削工具的保护涂层。然而，脆性一直是它们的弱点。在应力作用下，它们很容易断裂。
但现在，研究人员找到了一种解决方案，可以使陶瓷更不易破裂。他们最近在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上发表了他们的研究成果。
这项研究由加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授肯尼思-韦奇奥（KennethVecchio）领导，主要研究一类被称为高熵碳化物的陶瓷。这些材料具有高度无序的原子结构，由碳原子与元素周期表第四、第五和第六列中的多种金属元素结合而成。这些金属包括钛、铌和钨等。研究人员发现，提高陶瓷韧性的关键在于使用元素周期表第五和第六列的金属，因为它们的价电子数较多。
价电子--驻留在原子最外层并与其他原子结合的电子--被证明是一个关键因素。通过使用价电子数较多的金属，研究人员成功地提高了材料在承受机械负荷和应力时的抗开裂能力。
维奇奥说："这些额外的电子之所以重要，是因为它们有效地提高了陶瓷材料的延展性，这意味着陶瓷材料在断裂前可以经历更多的变形，与金属类似。"
为了更好地理解这种效应，Vecchio的研究小组与瑞典林雪平大学理论物理学教授DavideSangiovanni合作。Sangiovanni进行了计算模拟，而Vecchio的团队则对材料进行了实验制造和测试。
研究小组研究了具有五种金属元素不同组合的高熵碳化物。每种组合在材料中都产生了不同的价电子浓度，他们发现了两种高熵碳化物，由于价电子浓度较高，它们在负载或应力作用下表现出优异的抗开裂性。其中一种由金属钒、铌、钽、钼和钨组成。另一种材料则用铬代替了铌。
在机械负荷或应力作用下，这些材料能够分别变形或拉伸，类似于金属的行为，而不是陶瓷的典型脆性反应。当这些材料被刺穿或拉开时，键开始断裂，形成原子大小的开口。然后，金属原子周围的附加价电子重组，弥合这些开口，在相邻金属原子之间形成新的键。这种机制保留了开口周围的材料结构，有效地抑制了开口变大并形成裂缝。
研究报告的共同作者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程博士生凯文-考夫曼（KevinKaufmann）说："我们发现，在纳米尺度上发生了一种潜在的转变，这些键正在重新排列，以将材料固定在一起。这种材料不会直接劈开断裂面，而是会像绳子被拉扯时一样慢慢断裂。这样，材料就能适应正在发生的这种变形，而不会以脆性方式失效"。
目前的挑战在于如何扩大这些坚韧陶瓷的生产规模，使其应用于商业领域。这将有助于改变从航空航天部件到生物医学植入物等依赖高性能陶瓷材料的技术。
这些陶瓷新发现的韧性也为它们在极端应用中的使用铺平了道路，例如高超音速飞行器的前缘。维奇奥解释说，更坚硬的陶瓷可以作为这些飞行器的前沿防御，保护重要部件免受碎片的撞击，使飞行器在超音速飞行中更好地存活。
Vecchio说："通过解决陶瓷长期存在的局限性，我们可以大大扩展陶瓷的用途，并创造出有可能彻底改变我们社会的下一代材料。"
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