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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(fā)布時(shí)間:
2023/11/10
陶瓷加入金屬后,其硬度和抗裂性通常優(yōu)于普通陶瓷,但仍存在易碎的問(wèn)題,且人們尚未確定,為何陶瓷會(huì )出現這種變化。不久前,美國和瑞典大學(xué)的研究人員通過(guò)實(shí)驗,不僅找到了使陶瓷更不易碎的方法,同時(shí)優(yōu)化出更好的高熵碳化物陶瓷材料。該結果今年9月發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。
由美國加州大學(xué)圣地牙哥分校奈米工程學(xué)教授尼思·維奇奧(Kenneth Vecchio)領(lǐng)導的團隊,專(zhuān)門(mén)研究一種稱(chēng)為高熵碳化物(HEC)的陶瓷。這種高熵陶瓷屬于一種類(lèi)合金,熔點(diǎn)超過(guò)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(wú)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(zhì)。
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(xué)(Link?ping University)的理論物理學(xué)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(guò)計算去實(shí)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(jìn)行實(shí)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(fā)現這種高熵碳化陶瓷在被刺穿或拉開(kāi)時(shí),材料之間的化學(xué)鍵會(huì )出現斷裂,形成原子大小的開(kāi)口,但金屬與金屬之間的共價(jià)電子(共價(jià)鍵)會(huì )重新組織起來(lái),將開(kāi)口愈合形成新的共價(jià)鍵。這種機制有效地抑制了開(kāi)口變大和形成裂縫。
他們還發(fā)現,每種材料都會(huì )產(chǎn)生不同濃度的價(jià)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(guān)鍵。因此,他們選用價(jià)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(kāi)裂的性質(zhì)。
最終,他們在實(shí)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(shí)驗結果發(fā)現這兩種混合材料,比其它材料擁有較高的價(jià)電子濃度(VEC),擁有更優(yōu)異的負載能力,能夠讓陶瓷整體的延伸率提升22%至30%,同時(shí)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(zhù)它在斷裂之前可以經(jīng)歷更多的變形,出現類(lèi)金屬的狀態(tài)?!?br /> 他還說(shuō),“透過(guò)這種方法,解決陶瓷長(cháng)期存在的局限性。我們可以極大地擴大其用途,同時(shí)創(chuàng )造出具有極高潛力的下一代材料?!?br /> 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(fā)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(zhù)斷裂面劈開(kāi),而是像繩子被拉動(dòng)時(shí)一樣慢慢磨損。通過(guò)這種方式,材料可以適應正在發(fā)生的這種變形,而不是以脆性方式斷裂?!?br /> 目前,這種材料最大的挑戰在于商業(yè)化和投入實(shí)際應用的過(guò)程。若這項技術(shù)能夠投入實(shí)際應用,可能有效改善過(guò)往的陶瓷材料的缺點(diǎn),讓陶瓷材料用途更加廣泛,也為陶瓷在極端環(huán)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(huì )、功能性奈米材料能力中心、加州大學(xué)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(xué)與工程研究的資助。
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