陶瓷材料通常展现出脆性(低韧性)断裂行为，在服役过程中由于形变导致突然失效进而降低材料的可靠性和使用寿命，甚至引发灾难性事故。然而硬度和韧性此消彼长，难以两全。在本工作中，我们从化学视角出发，报道了一种通过合理匹配溶剂和溶质金属原子本征属性，构建双过渡族金属二硼化物固溶体进而优化材料硬度和韧性的方法。

        我们利用磁控溅射的手段生长了具有强(001)择优取向的TaB₂，Ta₃ZrB₈以及ZrB₂薄膜，纳米压痕结合SEM测试表明：TaB₂和ZrB₂薄膜的纳米硬度分别为45.9±1.0 GPa和33.0 ±1.7GPa，且压痕表面均存在放射状裂纹，而Ta₃ZrB₈固溶体薄膜不仅纳米压痕硬度提升到49.5±2.2 GPa，同时压痕表面无裂纹产生，实现了硬度和韧性得到同步增强。通过结构形变模式的计算研究发现：低电负性Zr溶质原子的引入将延缓B-B键承载键在形变过程中的电荷耗尽，使固溶体能承受更大的应变进而获得更大的峰值应力，同步增强硬度和韧性。该工作解释了掺杂原子电负性在大形变下对承载键的影响，进而实现对二硼化物力学性能的调控。

        此前，本研究小组通过第一性原理计算系统研究了IVB-VIB过渡族金属二硼化物的脆性-延展性与材料组分的关系, 发现通过掺杂高价电子浓度（VEC）的过渡族重金属将诱发硼化物脆韧转变，而掺杂原子相对硼的电负性（REN）作为全新的描述符可以成功解释相同VEC下力学性质的差异，形成VEC+REN与力学性质的一一对应关系，这为优化和设计超硬/高硬材料提供了全新判据【Acta Mater. 207, 116685, (2021)】。

        上述两个工作揭示了溶质和溶剂原子电负性在形变模式下对承载键电荷的调控过程，从化学角度为设计超硬薄膜材料提供了全新的思路。

相关文章：Xinlei Gu†, Chang Liu†, Xinxin Gao, Kan Zhang*, Weitao Zheng, and Changfeng Chen, “Solving Strength-Toughness Dilemma in Superhard Transitional-Metal Diborides via a Distinct Chemically Tuned Solid Solution Approach”, Research 6, 0035 (2023)

文章链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0035