日前，一项由加州大学圣地亚哥分校和瑞典林雪平大学科研团队的联合研究项目取得进展，科学家们发现佳电子浓度是控制难熔高熵碳化物断裂抗力的关键参数，即增强陶瓷韧性的关键因素在于加入元素周期表第五和第六列的金属，因为这些金属具有更多的价电子。上述成果发表在“Science Advances”（科学进展）期刊第9卷37期。

碳化物高熵陶瓷样品（来源；加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院）

陶瓷材料的优异性能无须赘述，但它们固有的脆性问题则是个长期的顽疾，它会导致陶瓷材料更容易断裂失效，陶瓷增韧也由此受到关注。负责本次研究项目的领导者加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Kenneth Vecchio表示，位于原子最外层并参与与其他原子成键的价电子的数量被证明是一个关键的决定因素。通过使用价电子数量较多的金属，研究人员有效增强了材料在承受机械载荷和应力时抵抗开裂的能力。“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。”

注：价电子（valence electron）指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子，为原子核外跟元素化合价有关的电子。过渡元素的价电子不仅是最外层电子，次外层电子及某些元素的倒数第三层电子也可成为价电子。价电子同时亦决定该元素的电导性能。一般来说，原子的价电子数越少，活性就越高。

为了深入了解该现象，加州大学和林雪平大学团队进行合作，由林雪平团队进行计算模拟，加州团队负责制造测试。他们探索了众多高熵碳化物的组合，发现其中两种在承受载荷或应力时表现出显着的抗裂性，这主要是由于它们的价电子浓度升高。其中一种成分包括金属钒、铌、钽、钼和钨，而另一种成分则用合金中的铬代替铌。

Vecchio表示，当受到刺穿或拉力时，材料会引发键断裂，从而产生原子大小的间隙。然而，金属原子周围的过剩价电子经历了重组，有效地桥接了这些间隙并在相邻金属原子之间形成了新的键。这一过程保留了间隙周围材料的结构，有效地阻止了间隙的扩展和裂纹的形成。“我们发现这种潜在的转变发生在纳米尺度上，其中键被重新排列以将材料固定在一起。这种材料不是直接劈开断裂面，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，并且不会以脆性方式失效。”

编译整理 YUXI

来源：360powder.com

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