科學家發現了一種使陶瓷更堅硬、更耐裂的方法。由加州大學聖迭戈分校工程師帶頭的研究小組透過在這些材料中混合使用外層電子數更多的金屬原子，挖掘出了使陶瓷能夠承受比以往更高強度和應力的潛力。

一類被稱為高熵碳化物的陶瓷樣品，這種陶瓷在斷裂前可承受更大的力和應力。圖片來源：Liezel Labios/加州大學聖地牙哥分校雅各布斯工程學院

陶瓷因其卓越的特性而具有許多優勢，包括能夠承受極高的溫度、抗腐蝕和表面磨損，以及保持輕質外形。這些特性使它們適用於各種應用，如航空航天部件以及發動機和切削工具的保護塗層。然而，脆性一直是它們的弱點。在應力作用下，它們很容易斷裂。

但現在，研究人員找到了一種解決方案，可以讓陶瓷更不易破裂。他們最近在《科學進展》（Science Advances）雜誌上發表了他們的研究成果。

這項研究由加州大學聖地牙哥分校奈米工程教授肯尼斯-韋奇奧（Kenneth Vecchio）領導，主要研究一類被稱為高熵碳化物的陶瓷。這些材料具有高度無序的原子結構，由碳原子與週期表第四、第五和第六列中的多種金屬元素結合而成。這些金屬包括鈦、鈮和鎢等。研究人員發現，提高陶瓷韌性的關鍵在於使用元素週期表第五和第六列的金屬，因為它們的價電子數較多。

價電子–駐留在原子最外層並與其他原子結合的電子–被證明是關鍵因素。透過使用價電子數較多的金屬，研究人員成功地提高了材料在承受機械負荷和應力時的抗開裂能力。

維奇奧說：”這些額外的電子之所以重要，是因為它們有效地提高了陶瓷材料的延展性，這意味著陶瓷材料在斷裂前可以經歷更多的變形，與金屬類似。”

比較不同價電子濃度的陶瓷在外加應力下的反應的模擬。資料來源：加州大學聖地牙哥分校雅各布斯工程學院

為了更好地理解這種效應，Vecchio 的研究小組與瑞典林雪平大學理論物理學教授Davide Sangiovanni 合作。Sangiovanni 進行了計算模擬，而Vecchio 的團隊則對材料進行了實驗製造和測試。

研究團隊研究了具有五種金屬元素不同組合的高熵碳化物。每種組合在材料中都產生了不同的價電子濃度，他們發現了兩種高熵碳化物，由於價電子濃度較高，它們在負載或應力作用下表現出優異的抗開裂性。其中一種由金屬釩、鈮、鉭、鉬和鎢組成。另一種材料則用鉻取代了鈮。

在機械負荷或應力作用下，這些材料能夠分別變形或拉伸，類似金屬的行為，而不是陶瓷的典型脆性反應。當這些材料被刺穿或拉開時，鍵開始斷裂，形成原子大小的開口。然後，金屬原子周圍的附加價電子重組，彌合這些開口，在相鄰金屬原子之間形成新的鍵。這種機制保留了開口周圍的材料結構，有效地抑制了開口變大並形成裂縫。

研究報告的共同作者、加州大學聖地亞哥分校奈米工程博士生凱文-考夫曼（Kevin Kaufmann）說：”我們發現，在奈米尺度上發生了一種潛在的轉變，這些鍵正在重新排列，以將材料固定在一起。這種材料不會直接劈開斷裂面，而是會像繩子被拉扯時一樣慢慢斷裂。這樣，材料就能適應正在發生的這種變形，而不會以脆性方式失效” 。

目前的挑戰在於如何擴大這些堅韌陶瓷的生產規模，使其應用於商業領域。這將有助於改變從航空航太零件到生物醫學植入物等依賴高性能陶瓷材料的技術。

這些陶瓷新發現的韌性也為它們在極端應用中的使用鋪平了道路，例如高超音速飛行器的前緣。維奇奧解釋說，更堅硬的陶瓷可以作為這些飛行器的前沿防禦，保護重要部件免受碎片的撞擊，使飛行器在超音速飛行中更好地存活。

Vecchio說：”透過解決陶瓷長期存在的局限性，我們可以大大擴展陶瓷的用途，並創造出有可能徹底改變我們社會的下一代材料。”