怎么淬火最硬不脆(无序碳化物可能是最坚硬、最耐热的材料)

一种新碳化物原子结构的计算机模型。碳和五种金属元素混杂在一起，给整体结构带来了稳定性。图片:杜克大学普拉纳布·萨克

杜克大学和加州大学圣地亚哥分校的材料科学家发现了一种新型碳化物，这种碳化物有望成为目前熔点最高的最硬材料。这种由廉价金属制成的新材料可能很快会被广泛应用于从机械和硬件到航空航天的各个行业。

碳化物传统上是由碳和一种其它元素组成的化合物。当与金属如钛或钨配对时，得到的材料极其坚硬，难以熔化。这使得碳化物非常适合于涂覆切割工具表面或航天飞行器零件等应用。

少量含有三种或三种以上元素的复杂碳化物也存在，但在实验室之外或工业应用中并不常见。这主要是因为难以确定哪些组合可以形成稳定的结构，更不用说具有理想的性能。

杜克大学和加州大学圣地亚哥分校的材料科学家现在宣布发现了一种新的碳化物，这种碳化物可以同时将碳和五种不同的金属元素结合起来。研究结果于11月27日刊登在《自然通信》网站上。

杜克大学的研究人员通过计算预测了这些材料的存在，然后在加州大学圣地亚哥分校成功合成了这些材料，这些材料通过原子的混乱混合物而不是有序的原子结构实现了稳定性。

杜克大学机械工程和材料科学教授斯特凡诺·柯塔罗罗说:“这些材料比目前的碳化物更硬，重量更轻。”。“它们也有很高的熔点，由相对便宜的材料混合物制成。这种属性的组合应该使它们对广泛的行业非常有用。"

当学生了解分子结构时，他们会看到像盐一样的晶体，类似于三维棋盘。这些材料通过规则有序的原子键获得稳定性和强度，原子就像拼图游戏中的碎片一样结合在一起。

然而，晶体结构中的缺陷通常会增加材料的强度。例如，如果裂纹开始沿着一条分子键线传播，一组错位的结构会阻止裂纹的发展。通过产生完美数量的无序来硬化固体金属是通过被称为退火的加热和淬火过程来实现的。

新型的五金属碳化物将这一想法提升到了一个新的高度。这些材料摆脱了对晶体结构和键稳定性的依赖，完全依赖无序。虽然一堆棒球不能独自站立，但是一堆棒球、鞋子、球棒、帽子和手套可能会。

左边的图像显示了金属元素形成彼此相似的大块结构，这不会产生稳定的材料。然而，右侧图像中的元素形成了许多不同的结构，它们混合在一起，产生了研究中的一种新材料。图片:加州大学圣地亚哥分校肯尼斯·维基奥

困难在于预测哪一种元素组合会稳固。试图制造新材料既昂贵又耗时。通过第一原理模拟计算原子相互作用更是如此。有了五种金属元素和91个可供选择的搭配，潜在配方的数量很快变得令人望而生畏。

库特拉洛实验室的博士后研究员、该论文的第一作者之一普拉纳布·萨克说:“要想知道哪些组合能很好地混合，你必须基于熵进行光谱分析。”。“熵非常耗时，而且很难通过逐个原子建立模型来计算。所以我们尝试了一些不同的东西。"

该团队首先将配料领域缩小到已知的八种金属，以产生具有高硬度和熔点的碳化物化合物。然后他们计算了一个潜在的五个需要多少能量金属碳化物形成一大组随机构型。

如果结果分散得很远，这表明组合可能会倾向于单一的配置，并且会分散——就像混合物中有太多的棒球一样。但是，如果有许多构型紧密地聚集在一起，这表明材料可能会同时形成许多不同的结构，提供结构稳定性所需的无序。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授肯尼斯·维基奥的小组尝试制造九种化合物来测试其理论。这是通过将每个配方中的元素以精细粉末的形式结合起来，在高达4000华氏度的温度下对它们加压，并使2000安培的电流直接流过它们来实现的。

“学习如何处理这些材料是一项艰巨的任务，”泰勒·哈灵顿说，他是韦基奥实验室的博士生，也是该论文的第一作者之一。“它们的行为不同于我们处理过的任何材料，甚至传统的碳化物。"

他们选择了系统认为最有可能形成稳定材料的三种配方，两种可能性最小，四种随机组合，得分介于两者之间。正如预测的那样，三个最有可能的候选人成功，而两个最不可能的候选人不成功。四个中间得分者中的三个也形成了稳定的结构。虽然这些新碳化物都有可能具有理想的工业性能，但有一种不太可能的组合脱颖而出——钼、铌、钽、钒和钨的组合，简称MoNbTaVWC5。

柯塔罗罗实验室的助理研究教授考马克·托赫说:“把这组元素组合起来，基本上就像试图把一堆正方形和六边形挤在一起。”。“单凭直觉，你永远不会认为这种组合是可行的。但事实证明，最好的候选人实际上是违反直觉的。"

“我们还不知道它的确切性质，因为它还没有经过充分测试，”库尔塔罗洛说。“但是，一旦我们在接下来的几个月内将它投入实验室，如果它被证明是有史以来熔点最高的最坚硬的材料，我也不会感到惊讶。"

“这个合作是一个研究团队，致力于展示这种新方法的独特和潜在的范式改变的含义，”韦基奥说。“我们正在使用创新的方法进行第一性原理建模，并结合最先进的合成和表征工具，提供先进的集成‘闭环’方法制造这种材料。"