近日，郑州大学材料学院高温功能研究所王海龙教授团队在超硬“高熵一硼化物”陶瓷方面取得重要进展，相关成果以《Theoretical and experimental investigations on the phase stability and fabrication of high-entropy monoborides》为题发表在陶瓷领域国际知名期刊《Journal of the European Ceramic Society》上。该研究成果得到了国家超级计算郑州中心的大力协助，理论设计部分由郑州中心“嵩山”超级计算机强大算力支持完成，通过高通量计算模拟进行材料设计，避免了传统实验合成方法的高成本投入，加速了新材料的开发。论文第一作者为该院博士研究生赵鹏博，李明亮副教授、邵刚教授、卢红霞教授、何季麟院士为共同作者，通讯作者为朱锦鹏副教授和王海龙教授。

超硬材料被广泛应用于各行各业，是实现中国制造2025的重要支撑，已被发达国家列为重要的战略资源。传统的超硬材料金刚石、立方氮化硼等共价键材料的制备需要极高的温度和压力，这严重阻碍了超硬材料的开发应用。多年来，人们一直致力于寻找易于合成的超硬材料。过渡金属一硼化物因高的硬度而具备成为超硬材料的潜力，因此备受关注，但是其高浓度的金属键仍然是限制其硬度提升的关键因素。近年来，高熵陶瓷的研究发现其硬度总是高于单一组元的陶瓷，这使超硬“高熵一硼化物”的成功开发成为了可能。然而巨大的成分调控空间使得该类材料种类庞大，实验验证所有这些材料是否能够合成是难以完成的。因此，构建理论模型，设计“高熵一硼化物”，提出“高熵一硼化物”组元选择原则，不仅能有效提高“高熵一硼化物”开发效率，降低实验合成成本，也能够为高熵材料体系的材料基因建立提供有价值的参考。

该团队以Ti、Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Mn，Fe，Co，Ni等13种过渡金属为阳离子，两两结合构建不同晶体结构的二元一硼化物的准随机结构模型，通过高通量第一性原理计算获取所有二元一硼化物的混合焓。并将其扩展至“高熵一硼化物”的理论预测，引入新的焓的熵的描述符 — 平均混合焓μ_local和混合焓分布偏差σ_local，定量分析“高熵一硼化物”的局域混合焓分布，预测“高熵一硼化物”的相稳定性。研究发现，具有小的μ_local和σ_local的“高熵一硼化物”更容易通过热激发获得大量高熵构型而形成单一相。而这两个物理量对“高熵一硼化物”的晶体结构也有重要影响。对于熵稳定结构（μ_local＞0），体系更容易形成σ_local更小的晶体结构。对于焓稳定结构（μ_local＜0），体系更容易形成μ_local更小的晶体结构。基于该结果，成功合成了三种新型的单相“高熵一硼化物”(VNbMoWNi)B、(VCrMoWNi)B和 (VTaMoWNi)B，测定其维氏硬度分别高达44.51 ± 1.23 GPa, 42.85 ± 3.74 GPa 和 41.13± 1.83 GPa。该结果对设计和制备超硬“高熵一硼化物”陶瓷具有重要的理论指导意义。

该工作得到了国家自然科学基金、河南省杰出青年基金、冲击环境材料技术国家级重点实验室、中国科协青年人才培养项目的支持。