通过化学调制固溶方案解决超硬陶瓷的硬度韧性矛盾

具有高强度的材料被广泛用于切割和钻孔工具、结构部件、防护性涂层和磨料等，是现代工业和科学研究中不可或缺的基础性材料。固溶强化是提升材料强度的常用方法，其机制在金属中已被广泛研究且确立已久。该方法通过在晶格中引入溶质原子会诱导产生局部晶格畸变，进而阻碍位错运动和塑性变形，使得金属的强度得以提升。然而，这一方法会降低金属的延展性和韧性。另一个展示出硬度-韧性矛盾的典型案例是超硬陶瓷体系。超硬材料是指维氏硬度大于40 GPa的结构材料，由超强但高脆性的共价键网络组成，因此超硬材料同时具有高强度和低韧性，然而极低的韧性往往限制了超硬材料的应用。解决超硬材料强度-韧性矛盾仍是一个极具挑战的重要科学问题。此前一些工作尝试通过固溶方法来提升超硬材料力学性质，但是尚不清楚是否能在超硬材料中同时提升强度和韧性，同时对超硬材料的固溶强化机制少有研究且缺乏深刻理解。

吉林大学郑伟涛、张侃教授团队结合实验和理论模拟研究，提出了一种化学调制固溶方案，可同时提升超硬材料的强度和韧性。他们以超硬过渡族金属二硼化物TaB₂为基，通过调制溶剂和溶质金属原子相对电负性，构建了三元Ta₃ZrB₈固溶体，实现了超硬TaB₂硬度和韧性的同时提高。此外，固溶体压痕下方具有完整的晶体结构，且受压痕形变影响而具有复杂的应变状态。理论模拟揭示了固溶后超硬材料的强韧化机制：由于溶质原子Zr电负性低于溶剂原子Ta，使得固溶体形变时主要承载键B-B上的电荷耗尽得更少，因而导致固溶体具有更高的应变范围和相应更高的峰值应力，达到了强韧化的目标。

现任吉林大学材料科学与工程学院教授张侃说：“这一发现突出合理匹配溶质和溶剂金属原子的相对电负性以同时提升超硬材料强度和韧性，为设计优化过渡金属硼化物的力学性能提供了新思路，这种通过调制溶剂和溶质金属原子相对电负性来实现材料强韧化的策略，预计将适用于更广泛的陶瓷材料体系，例如氮化物和碳化物。