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科学家发现世界上硬度和熔点最高的材料

据报道,美国杜克大学和加州大学圣地亚哥分校的材料学家宣布,他们发现了一种新型碳化物,这种碳化物是由碳元素与5种不同的金属元素混杂形成的新材料。它可能是世界上硬度和熔点最高的材料之一,有望应用于机械制造和航空航天等领域。

新型碳化物MoNbTaVWC5原子结构的计算机模型

 

传统碳化物是由碳元素与另一种元素组成的化合物。例如,碳与钨或钛制成的碳化材料具有很高的硬度和熔点,非常适合用于切割工具和航空器材的制造。由于三种或三种以上元素构成的复合碳化物的稳定结构难以确定,因此这类复合材料并不多见。

杜克大学的研究人员通过计算预测了多元素符合碳材料的存在,并在加州大学圣地亚哥分校成功合成了这些材料。杜克大学机械工程与材料科学教授斯特凡诺•科塔罗洛(Stefano Curtarolo)表示:“这种多元素复合碳材料比目前的碳化物硬度更高、质量更轻。它们的熔点也很高,并且成本也相对低廉。这些优点让它们在诸多行业有潜在应用价值。”

学生们在学习分子结构时,老师通常会以氯化钠晶体作为范例。规则有序的原子键使整个结构保持稳定。然而,并非“完美的结构”能铸造“完美的性能”——晶体结构中存在缺陷反而会增加材料的强度。例如,结构中出现的位错结构可以阻断裂纹的传播。金属锻造中使用的淬火等技术就是利用了这个原理。

五金属碳化物的新思路让“缺陷理论”更上一层楼——这种材料几乎完全抛弃了属于晶体结构和化学键的稳定性,转而完全依赖于无序性。五金属碳化物的设计难点在于找到准确的元素组合。新材料的制造既昂贵又费时,通过第一原理模拟计算原子间的相互作用更是如此。对于5种金属而言,潜在的浩大搭配组合几乎让人绝望。

科塔罗洛实验室的博士后助理、论文第一作者之一的普拉纳布·萨克(Pranab Sarker)说:“要想找出恰当的组合,必须基于熵进行光谱分析。老老实实逐个原子建立模型来计算熵是很麻烦的。因此,我们决定另辟蹊径。”该团队首先将原料范围缩小到8种已知能产生高硬度和高熔点碳化物的金属。然后对潜在的五金属碳化物形成随机构型需要的能量进行了计算。

接着,加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授事肯尼斯•维奇奥(Kenneth Vecchio)协助科塔罗洛团队制造了9种化合物,以验证他们的理论。化合物是将材料组分以细小粉末的形式,在4000华氏度和2000安培的电流条件下挤压而成的。最终,一组看似不可能的,由钼、铌、钽、钒、钨和碳构成的组合MoNbTaVWC5脱颖而出。

科塔罗洛说:“由于全面测试尚未进行,我们还不知道它的确切性能。但如果在后续实验中证实了它就是有史以来熔点最高、最坚硬的材料,我一点也不会感到惊讶。”维奇奥补充说:“我们的合作旨在为先进材料的发现提供集成的‘闭环’方法。”

(来源:科技工作者)

 

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