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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

發布時間： 2023/11/10

　　陶瓷加入金屬后，其硬度和抗裂性通常優于普通陶瓷，但仍存在易碎的問題，且人們尚未確定，為何陶瓷會出現這種變化。不久前，美國和瑞典大學的研究人員通過實驗，不僅找到了使陶瓷更不易碎的方法，同時優化出更好的高熵碳化物陶瓷材料。該結果今年9月發表在《科學進展》雜志上。
　　　

　　由美國加州大學圣地牙哥分校奈米工程學教授尼思·維奇奧（Kenneth Vecchio）領導的團隊，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組成，形成一種具有高度無序的原子結構。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。
　　維奇奧教授團隊為了更好理解這種效應，他們與瑞典的林雪平大學（Link?ping University）的理論物理學教授達維·德桑喬瓦尼（Davide Sangiovanni）合作。德桑喬瓦尼教授負責計算模擬，維奇奧教授團隊透過計算去實驗制造并測試了這些材料。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行實驗，最后共同研制出5種具有強化高熵碳化物的金屬材料。
　　他們發現這種高熵碳化陶瓷在被刺穿或拉開時，材料之間的化學鍵會出現斷裂，形成原子大小的開口，但金屬與金屬之間的共價電子（共價鍵）會重新組織起來，將開口愈合形成新的共價鍵。這種機制有效地抑制了開口變大和形成裂縫。
　　他們還發現，每種材料都會產生不同濃度的價電子（原子最外層并與其他原子結合的電子）數目，這是提高陶瓷韌性的關鍵。因此，他們選用價電子數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械載荷和承受力，改變了其容易開裂的性質。
　　最終，他們在實驗中選定兩種材料，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。
　　實驗結果發現這兩種混合材料，比其它材料擁有較高的價電子濃度（VEC），擁有更優異的負載能力，能夠讓陶瓷整體的延伸率提升22%至30%，同時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，因為它們有效地使陶瓷材料更具延展性，這意味著它在斷裂之前可以經歷更多的變形，出現類金屬的狀態。”
　　他還說，“透過這種方法，解決陶瓷長期存在的局限性。我們可以極大地擴大其用途，同時創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，“我們發現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，而是像繩子被拉動時一樣慢慢磨損。通過這種方式，材料可以適應正在發生的這種變形，而不是以脆性方式斷裂。”
　　目前，這種材料最大的挑戰在于商業化和投入實際應用的過程。若這項技術能夠投入實際應用，可能有效改善過往的陶瓷材料的缺點，讓陶瓷材料用途更加廣泛，也為陶瓷在極端環境下的應用鋪平道路，例如高超音速飛行器的前緣。
　　這項研究得到了瑞典研究委員會、功能性奈米材料能力中心、加州大學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與工程研究的資助。

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