像金刚石这样的超硬材料对工业切割工具很有用，但成本高，因此研究人员一直在寻找替代品。目前，中国南方科技大学的王山民团队通过在原子晶格中添加空位创造了一种超硬但不脆的材料。他表示，这种技术可以应用于其他材料。
金属和合金的机械性能在很大程度上取决于其晶体晶格中的缺陷——位错。位错是原子平面突然终止的线条。当晶体受到应力时，原子键断裂并以可能使位错沿平面垂直移动的方式重新形成。位错的这种“滑动”能力使金属能够变形而不破裂，但它也会降低材料的刚度和硬度。防止位错滑动的处理可以增加硬度，但也增加了脆性。
与类似的陶瓷一样，二硼化钨具有通常能阻止大规模位错形成的三维共价键网络。该材料预计具有超硬特性（硬度超过40吉帕[GPa]），但在硬度测试中，其脆性在达到高应力之前就会导致开裂。王和他的同事们使用高压高温技术用铼原子替代一些钨原子。通常两个钨原子被一个铼原子和一个空位替代，因为铼有一个额外的电子，而晶体所能容忍的价电子数量是有限的。这些有序的空位为位错的形成和滑动开辟了通道，从而防止了开裂，并产生了高达50 GPa的硬度。这种新材料还具有高热稳定性，这对机床来说是一个有用的特性。
研究成果：二硼化钨（WB₂₊ₓ）被预测为超硬材料，但因韧性低、位错迁移率受限，实际硬度远未达超硬阈值。Chao Gu、Xiaojun Xiang 等来自南方科技大学、中国科学院物理研究所等团队，提出通过引入有序原子空位增强其韧性和硬度的策略。研究团队在高压下合成了最优掺杂组分（W₀.₉Re₀.₁）₁₋δB₂₊ₓ样品，发现铼掺杂诱导有序金属空位对主要存在于 {210} 和 {102} 晶面，显著提升位错迁移率。该样品实现了约 40 GPa 的载荷不变超硬度，热稳定性可与立方氮化硼（cBN）媲美，且具有优异导电性。这项研究不仅实验上获得了实用型超硬材料，更为通过调控原子缺陷改善过渡金属二硼化物力学性能提供了重要思路。
http://link.aps.org/supplemental/10.1103/x4td-mf2s
来源：APS
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