来源：DeepTech深科技
碳化钨和碳化钛等过渡金属碳化物是硬质合金的主要合成原料，被广泛应用于金属切削刀具、矿山及地质钻头、耐磨零件等领域；碳化铌和碳化钽等则可用作硬质合金添加剂以提高合金的高温强度和耐磨性。
新一代地质矿山工具等对碳化物硬度和断裂韧性的匹配提出了更高要求。除碳化钨等单一碳化物以外，近年来研究者们也关注新型多组元高熵碳化物，其为含有四种及以上碳化物的等摩尔或近等摩尔比单相固溶体。
在单相多组元高熵碳化物中，几种金属组元随机占据阳离子位点，而碳原子位于阴离子亚晶格。多组元高熵碳化物相比于传统碳化物具备更高硬度及红硬性、低导热系数、优异的抗氧化性、耐磨性和抗热震性等。
多组元高熵碳化物还具有广阔的成分设计空间，其在硬质合金领域拥有巨大的应用前景。
然而，此前开发的多组元高熵碳化物也存在较高脆性，使其工程应用依然受限。在此背景下，缓解多组元高熵碳化物材料的脆性和提高其断裂韧性至关重要。
为此，中南大学教授李志明团队提出的原位自生亚稳态氧化锆颗粒增韧策略，为解决该问题提供了重要思路，对设计和制备下一代高性能硬质合金及其它高性能结构材料具有广泛的重要意义。
图 | 李志明（来源：李志明）Nature Communications）
基于该研究，后续还可持续优化原位自生亚稳四方氧化锆颗粒的含量和尺寸等特征，以进一步提升多组元高熵碳化物陶瓷的断裂韧性。
从制备工艺角度而言，调控烧结腔室中的氧分压有利于合理调节 Zr 的氧化行为、细化多组元陶瓷基体中原位自生的氧化锆颗粒，有利于亚稳态四方相氧化锆保存至室温状态，以提升相变增韧效果。
从材料成分设计的角度而言，在非等摩尔比的多组元高熵碳化物中调节 Zr 组元的含量有利于获得更优的氧化锆颗粒含量；还可以设计高模量的多组元高熵碳化物基体以抑制冷却过程中氧化锆的相变，从而获得高分数的亚稳四方 ZrO2 相以增加韧化效果。
此外，也可将原位自生氧化锆颗粒增韧策略扩展至多组元氮化物等其他陶瓷开发领域，使其具备更优异的综合力学性能。
参考资料：
1.Hu, J., Yang, Q., Zhu, S. et al. Superhard bulk high-entropy carbides with enhanced toughness via metastable in-situ particles. Nat Commun 14, 5717 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41481-6
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