研究人员发现了一种使陶瓷更坚韧、更耐破裂的方法。通过使用外壳中拥有更多电子的金属原子混合物构建这些材料，由加州大学圣地亚哥分校的工程师领导的团队释放了使陶瓷能够比以前承受更高水平的力和应力的潜力。

陶瓷因其卓越的性能而具有许多优点，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。这些特性使它们适合各种应用，例如航空航天部件以及发动机和切削工具的保护涂层。然而，它们的弱点始终是脆弱。它们在压力下很容易断裂。

但现在，研究人员找到了一种可以使陶瓷更难破碎的解决方案。他们最近在《科学进展》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学教授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，由与元素周期表第四、第五和第六列的多种金属元素键合的碳原子组成。

这些金属包括例如钛、铌和钨。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量较多。

价电子——存在于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高的金属，研究人员成功提高了材料在承受机械载荷和应力时的抗开裂性。

“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，类似于金属，”维奇奥说。

为了更好地理解这种效应，Vecchio的团队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，Vecchio的团队通过实验制造并测试了这些材料。

该团队研究了具有五种金属元素的各种组合的高熵碳化物。每种组合都会在材料内产生不同浓度的价电子。

他们发现了两种高熵碳化物，由于其高价电子浓度，在负载或应力下表现出出色的抗开裂性。一种由金属钒、铌、钽、钼和钨组成。另一种变体在混合物中用铬代替铌。

在机械载荷或应力下，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响应。当这些材料被刺穿或拉开时，化学键开始断裂，形成原子大小的开口。

然后金属原子周围的额外价电子重新组织以桥接这些开口，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材料的结构，有效地抑制了开口变大并形成裂缝。

研究合著者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程博士凯文·考夫曼(KevinKaufmann)表示：“我们发现，在纳米尺度上发生了这种潜在的转变，其中键被重新排列以将材料固定在一起。”Vecchio实验室的校友。“这种材料不是直接穿过断裂面，而是像绳子一样在被拉动时慢慢磨损。通过这种方式，材料可以适应正在发生的这种变形，而不会以脆性方式失效。”

现在的挑战在于扩大这些坚韧陶瓷的生产规模以用于商业应用。这可能有助于改变依赖高性能陶瓷材料的技术，从航空航天部件到生物医学植入物。

这些陶瓷新发现的韧性也为其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，更坚固的陶瓷可以作为这些飞行器的前线防御，保护重要部件免受碎片的影响，并使飞行器能够更好地在超音速飞行中生存。

“通过解决陶瓷长期存在的局限性，我们可以极大地扩大其用途，并创造出具有彻底改变我们社会潜力的下一代材料，”维奇奥说。

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