新型金屬陶瓷研製成功 堅硬但不易碎

陶瓷加入金屬後，其硬度和抗裂性通常優於普通陶瓷，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》雜誌上。

由美國加州大學聖地牙哥分校納米工程學教授肯尼思維奇奧（Kenneth Vecchio）領導的團隊，專門研究一種稱為高熵碳化物（HEC）的陶瓷。這種高熵陶瓷屬於一種類合金，熔點超過2000℃（3000 K），裏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於5%，並與碳、氮、氧、硼或矽共同鍵合一起。

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（Linkoping 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製造並測試了這些材料。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，最後共同研製出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，將開口癒合形成新的共價鍵。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（原子最外層並與其它原子結合的電子）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。