Multicomponent alloying has displayed extraordinary potential for producing exceptional structural and functional materials. However, the synthesis of single-phase, multi-principal covalent compounds remains a challenge. Here, we present a diffusion-controlled alloying strategy for the realization of covalent multi-principal transition metal carbides (MPTMCs) with a single face-centered cubic phase. The increased interfacial diffusion promoted by the addition of a nonstoichiometric compound leads to rapid formation of the single phase at much lower sintering temperature. Direct atomic-level observations via scanning transmission electron microscopy demonstrate that MPTMCs are composed of a single phase with a random distribution of all cations, which holds the key to the unique combinations of improved fracture toughness, superior Vickers hardness, and extremely lower thermal diffusivity achieved in MPTMCs. The present discovery provides a promising approach toward the design and synthesis of next-generation high-performance materials.

1.
R. O.
Ritchie
,
Nat. Mater.
10
,
817
(
2011
).
2.
Z.
Li
,
K. G.
Pradeep
,
Y.
Deng
,
D.
Raabe
, and
C. C.
Tasan
,
Nature
534
,
227
(
2016
).
3.
M.
Koyama1
,
Z.
Zhang
,
M.
Wang
,
D.
Ponge
,
D.
Raabe
,
K.
Tsuzaki
,
H.
Noguchi
, and
C. C.
Tasan
,
Science
355
,
1055
(
2017
).
4.
B.
Gludovatz
,
A.
Hohenwarter
,
D.
Catoor
,
E. H.
Chang
,
E. P.
George
, and
R. O.
Ritchie
,
Science
345
,
1153
(
2014
).
5.
S. H.
Kim
,
H.
Kim
, and
N. J.
Kim
,
Nature
518
,
77
(
2015
).
6.
D. C.
Hofmann
,
J. Y.
Suh
,
A.
Wiest
,
G.
Duan
,
M. L.
Lind
,
M. D.
Demetriou
, and
W. L.
Johnson
,
Nature
451
,
1085
(
2008
).
7.
P.
Calvert
,
Nature
399
,
210
(
1999
).
8.
G. D.
Zhan
,
J. D.
Kuntz
,
J.
Wan
, and
A. K.
Mukherjee
,
Nat. Mater.
2
,
38
(
2003
).
9.
S.
Stankovich
,
D. A.
Dikin
,
G. H. B.
Dommett
,
K. M.
Kohlhaas
,
E. J.
Zimney
,
E. A.
Stach
,
R. D.
Piner
,
S. T.
Nguyen
, and
R. S.
Ruoff
,
Nature
442
,
282
(
2006
).
10.
J. W.
Yeh
,
Ann. Chim. Sci. Mater.
31
,
633
(
2006
).
11.
J. W.
Yeh
,
S. K.
Chen
,
S. J.
Lin
,
J. Y.
Gan
,
T. S.
Chin
,
T. T.
Shun
,
C. H.
Tsau
, and
S. Y.
Chang
,
Adv. Eng. Mater.
6
,
299
(
2004
).
12.
B.
Cantor
,
I. T. H.
Chang
,
P.
Knight
, and
A. J. B.
Vincent
,
Mater. Sci. Eng. A
375
,
213
(
2004
).
13.
I.
Florea
,
R. M.
Florea
,
O.
Baltatescu
,
V.
Soare
,
R.
Chelariu
, and
I.
Carcea
,
J. Optoelectron. Adv. Mater.
15
,
761
(
2013
).
14.
15.
Y.
Zhang
,
T.
Zuo
,
Z.
Tang
,
M. C.
Gao
,
K. A.
Dahmen
,
P. K.
Liaw
, and
Z.
Lu
,
Prog. Mater. Sci.
61
,
1
(
2014
).
16.
R.
Kozak
,
A.
Sologubenko
, and
W.
Steurer
,
Z. Kristallogr.
230
,
55
(
2015
).
17.
H. K. D. H.
Bhadeshia
,
Mater. Sci. Technol.
31
,
1139
(
2015
).
18.
Y.
Ye
,
Q.
Wang
,
J.
Lu
,
C.
Liu
, and
Y.
Yang
,
Mater. Today
19
,
349
(
2016
).
19.
E. J.
Pickering
and
N. G.
Jones
,
Int. Mater. Rev.
61
,
183
(
2016
).
20.
D. B.
Miracle
and
O. N.
Senkov
,
Acta Mater.
122
,
448
(
2017
).
21.
Transition Metal Carbides and Nitrides
, edited by
L.
Toth
(
Elsevier
,
2014
).
22.
S. A.
Ghaffari
,
M. A.
Faghihi-Sani
,
F.
Golestani-Fard
, and
M.
Nojabayy
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
41
,
180
(
2013
).
23.
X. G.
Wang
,
J. X.
Liu
,
Y. M.
Kan
, and
G. J.
Zhang
,
J. Eur. Ceram. Soc.
32
,
1795
(
2012
).
24.
O.
Cedillos-Barraza
,
S.
Grasso
,
N. A.
Nasiri
,
D. D.
Jayaseelan
,
M. J.
Reece
, and
W. E.
Lee
,
J. Eur. Ceram. Soc.
36
,
1539
(
2016
).
25.
C. M.
Rost
,
E.
Sachet
,
T.
Borman
,
A.
Moballegh
,
E. C.
Dickey
,
D.
Hou
,
J. L.
Jones
,
S.
Curtarolo
, and
J. P.
Maria
,
Nat. Commun.
6
,
8485
(
2015
).
26.
J.
Gild
,
Y.
Zhang
,
T.
Harrington
,
S.
Jiang
,
T.
Hu
,
M. C.
Quinn
,
W. M.
Mellor
,
N.
Zhou
,
K.
Vecchio
, and
J.
Luo
,
Sci. Rep.
6
,
37946
(
2016
).
27.
C. L.
Farrow
,
P.
Juhas
,
J. W.
Liu
,
D.
Bryndin
,
E. S.
Božin
,
J.
Bloch
,
T.
Proffen
, and
S. J. L.
Billinge
,
J. Phys. Condens. Matter
19
,
335219
(
2007
).
28.
H. U.
Hong
,
B. S.
Rho
, and
S. W.
Nam
,
Mater. Sci. Eng. A
318
,
285
(
2001
).
29.
R.
Jones
,
V.
Randle
, and
G.
Owen
,
Mater. Sci. Eng. A
496
,
256
(
2008
).
30.
K.
Niihara
,
J. Mater. Sci. Lett.
2
,
221
(
1983
).
31.
W. C.
Oliver
and
G.
Pharr
,
J. Mater. Res.
7
,
1564
(
1992
).
32.
Y.
Zheng
,
W.
Xiong
,
W.
Liu
,
W.
Lei
, and
Q.
Yuan
,
Ceram. Int.
31
,
165
(
2005
).
33.
D.
Demirskyi
,
Y.
Sakka
, and
O.
Vasylkiv
,
Ceram. Int.
41
,
10828
(
2015
).
34.
A.
Borrell
,
A.
Fernández
,
R.
Torrecillas
,
J. M.
Córdoba
,
M. A.
Avilés
, and
F. J.
Gotor
,
J. Am. Ceram. Soc.
93
,
2252
(
2010
).
35.
G.
Zhao
,
C.
Huang
,
N.
He
,
H.
Liu
, and
B.
Zou
,
Ceram. Int.
42
,
5353
(
2016
).
36.
H. L.
Liu
,
J. X.
Liu
,
H. T.
Liu
, and
G. J.
Zhang
,
Scr. Mater.
107
,
140
(
2015
).
37.
A.
Nino
,
A.
Sasago
,
S.
Sugiyama
, and
H.
Taimatsu
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
61
,
192
(
2016
).
38.
S. G.
Huang
,
K.
Vanmeensel
,
O. V.
der Biest
, and
J.
Vleugels
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
26
,
41
(
2008
).
39.
H. C.
Kim
,
D. K.
Kim
,
K. D.
Woo
,
I. Y.
Ko
, and
I. J.
Shon
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
26
,
48
(
2008
).
40.
X.
Ren
,
Z.
Peng
,
C.
Wang
,
Z.
Fu
,
L.
Qi
, and
H.
Miao
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
48
,
398
(
2015
).
41.
D. L.
Yung
,
I.
Hussainova
,
M. A.
Rodriguez
, and
R.
Traksmaa
,
Key Eng. Mater.
674
,
94
(
2016
).
42.
D. L.
Yung
,
S.
Cygan
,
M.
Antonov
,
L.
Jaworska
, and
I.
Hussainova
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
61
,
201
(
2016
).
43.
B.
Casas
,
X.
Ramis
,
M.
Anglada
,
J. M.
Salla
, and
L.
Llanes
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
19
,
303
(
2001
).
44.
V. L.
Solozhenko
,
O. O.
Kurakevych
, and
Y. L.
Godec
,
Adv. Mater.
24
,
1540
(
2012
).
45.
M.
Sygnatowicz
,
R. A.
Cutler
, and
D. K.
Shetty
,
J. Am. Ceram Soc.
98
,
2601
(
2015
).
46.
C. J.
Gilbert
,
D. R.
Bloyer
,
M. W.
Barsoum
,
T.
El-Raghy
,
A. P.
Tomsia
, and
R. O.
Ritchie
,
Scr. Mater.
42
,
761
(
2000
).
47.
L. M.
Liu
,
Y.
Feng
, and
Z.
Yu
,
J. Am. Ceram. Soc.
93
,
2945
(
2010
).
48.
C. F.
Hu
,
Z. J.
Lin
,
L. F.
He
,
Y. W.
Bao
,
J. Y.
Wang
,
M. S.
Li
, and
Y. C.
Zhou
,
J. Am. Ceram. Soc.
90
,
2542
(
2007
).
49.
C. F.
Hu
,
F. Z.
Li
,
L. F.
He
,
M. Y.
Liu
,
J.
Zhang
,
J. M.
Wang
,
Y. W.
Bao
,
J. Y.
Wang
, and
Y. C.
Zhou
,
J. Am. Ceram. Soc.
91
,
2258
(
2008
).
50.
C. F.
Hu
,
L. F.
He
,
M. Y.
Liu
,
X. H.
Wang
,
J. Y.
Wang
,
M. S.
Li
,
Y. W.
Bao
, and
Y. C.
Zhou
,
J. Am. Ceram. Soc.
91
,
4029
(
2008
).
51.
F. Z.
Li
,
H. B.
Zhang
,
Q.
Wang
,
D.
Qu
,
T. L.
Zhou
,
B.
Kim
,
Y.
Sakka
,
C. F.
Hu
, and
Q.
Huang
,
J. Am. Ceram. Soc.
97
,
2731
(
2014
).
52.
A.
Julian-Jankowiak
and
P.
Sallot
,
Ceram. Int.
44
,
16314
(
2018
).
53.
Y.
Zhou
and
Z.
Sun
,
J. Eur. Ceram. Soc.
21
,
1007
(
2001
).
54.
T.
Cygan
,
J.
Wozniak
,
M.
Kostecki
,
M.
Petrus
,
A.
Jastrzębska
,
W.
Ziemkowska
, and
A.
Olszyna
,
Ceram. Int.
43
,
6180
(
2017
).
55.
J.
Wozniak
,
A.
Jastrzębska
,
T.
Cygan
, and
A.
Olszyna
,
J. Am. Ceram. Soc.
37
,
1587
(
2017
).
56.
J. Y.
Fan
,
T. T.
Lin
,
F. X.
Hu
,
Y.
Yu
,
M.
Ibrahim
,
R. B.
Zheng
,
S. B.
Huang
, and
J. F.
Ma
,
Ceram. Int.
43
,
3647
(
2017
).
57.
X.
Zhang
,
S.
Liang
,
H.
Li
, and
J.
Yang
,
Ceram. Int.
43
,
420
(
2017
).
58.
F.
Zhang
,
L. F.
Li
, and
E. Z.
Wang
,
Ceram. Int.
41
,
12417
(
2015
).
59.
J. T.
Wozniak
,
M.
Trzaska
,
G.
Cieślak
,
T.
Cygan
,
M.
Kostecki
, and
A.
Olszyna
,
Ceram. Int.
42
,
8597
(
2016
).
60.
M. H.
Bocanegra-Bernal
,
C.
Dominguez-Rios
,
J.
Echeberria
,
A.
Reyes-Rojas
,
A.
Garcia-Reyes
, and
A.
Aguilar-Elguezabal
,
Ceram. Int.
42
,
2054
(
2016
).
61.
H.
Panitchakan
and
P.
Limsuwan
,
Procedia Eng.
32
,
902
(
2012
).
62.
G.
Zhao
,
C.
Huang
,
H.
Liu
,
B.
Zou
,
H.
Zhu
, and
J.
Wang
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
36
,
122
(
2013
).
63.
D.
Drdlik
,
K.
Drdlikova
,
H.
Hadraba
, and
K.
Maca
,
J. Eur. Ceram. Soc.
37
,
4265
(
2017
).
64.
H.
Jin
,
Z.
Shi
,
X.
Li
,
Y.
Li
,
H.
Xia
,
Z.
Xu
, and
G.
Qiao
,
Ceram. Int.
43
,
3356
(
2017
).
65.
A.
Cascales
,
N.
Tabares
,
J. F.
Bartolomé
,
A.
Cerpa
,
A.
Smirnov
,
R.
Moreno
, and
M.
IsabelNieto
,
J. Eur. Ceram. Soc.
35
,
3613
(
2015
).
66.
D.
Ghahremani
,
T.
Ebadzadeh
, and
A.
Maghsodipour
,
Ceram. Int.
41
,
6409
(
2015
).
67.
H. L.
Zhao
,
K.
Hiragushi
, and
Y.
Mizota
,
J. Am. Ceram. Soc.
23
,
1485
(
2003
).
68.
M. K.
Haldar
,
Ceram. Int.
29
,
573
(
2003
).
69.
H. R.
Rezaie
,
W. M.
Rainforth
, and
W. E.
Lee
,
J. Am. Ceram. Soc.
19
,
1777
(
1999
).
70.
H. C.
Kim
,
H. K.
Park
,
I. K.
Jeong
,
I. Y.
Ko
, and
I. J.
Shon
,
Ceram. Int.
34
,
1419
(
2008
).
71.
A.
Nino
,
N.
Takahashi
,
S.
Sugiyama
, and
H.
Taimatsu
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
43
,
150
(
2014
).
72.
M.
Yamasaki
,
S.
Kagao
,
Y.
Kawamura
, and
K.
Yoshimura
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
4653
(
2004
).
73.
M.
Yamasaki
,
S.
Kagao
, and
Y.
Kawamura
,
Scr. Mater.
53
,
63
(
2005
).
74.
S. E.
Landwehr
,
G. E.
Hilmas
,
W. G.
Fahrenholtz
,
I. G.
Talmy
, and
H.
Wang
,
Mater. Chem. Phys.
115
,
690
(
2009
).
75.
M.
Mallik
,
A. J.
Kailath
,
K. K.
Ray
, and
R.
Mitra
,
J. Eur. Ceram. Soc.
37
,
559
(
2017
).
76.
M.
Flem
,
A.
Allemand
,
S.
Urvoy
,
D.
Cédat
, and
C.
Rey
,
J. Nucl. Mater.
380
,
85
(
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.