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燕山大学超硬材料多晶块材合成技术和硬化机理研究取得重要进展
2013-03-03 姜恩 宣传部新闻中心供稿   (点击: )
    【新闻中心讯】燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君教授领导的研究小组与吉林大学超硬材料国家重点实验室马琰铭教授、美国芝加哥大学王雁宾教授和河北工业大学唐成春教授等科学家合作,在多晶超硬材料合成技术和超硬材料硬化机理研究方面取得突破性进展。利用高温高压技术成功地合成出超高硬度的纳米孪晶结构立方氮化硼块材,该研究成果发表在2013年1月17日最新一期的《自然》(Nature)杂志上(DOI: 10.1038/nature11728)。

   


图为合成样品中一个纳米晶粒的透射电镜明场像,晶粒内部形成了薄片状的纳米孪晶

    立方氮化硼是一种重要的超硬材料,在铁基材料加工行业中获得了广泛应用。遗憾的是人工合成立方氮化硼单晶的硬度还不到金刚石单晶的一半。根据著名的霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系,多晶材料硬度随晶粒尺寸减小而增大。因此,合成纳米结构立方氮化硼已成为提高硬度的有效手段。利用类石墨结构氮化硼前驱物在高温高压下的马氏体相变,科学家们已合成出纳米晶立方氮化硼,所能达到的最小晶粒尺寸为14 nm。田永君及其合作者采用一种具有特殊结构的洋葱氮化硼为前驱物成功地合成出透明的纳米孪晶结构立方氮化硼,孪晶的平均厚度仅为3.8 nm,其硬度达到甚至超过人工合成的金刚石单晶,断裂韧性高于商用硬质合金,抗氧化温度高于立方氮化硼单晶本身。这些优异的综合性能表明纳米孪晶结构立方氮化硼是一种工业界期盼已久的刀具材料。
    业已证明:在临界尺寸(约10-15 nm)以上,金属及合金材料的硬度和强度随晶粒尺寸减小而增大(霍尔-佩奇效应),但在临界尺寸以下,强度和硬度却随晶粒尺寸减小而减小(反霍尔-佩奇效应)。令人惊奇的是,纳米孪晶结构立方氮化硼随孪晶厚度减小能够持续硬化到3.8 nm却不发生软化。他们的理论分析表明:在纳米尺度边,多晶极性共价材料的硬化机制除了大家熟知的Hall-Petch效应还有量子限域效应的附加贡献。研究成果突破了人们对材料硬化机制的传统认识,向人们展现了合成高性能超硬材料的新途径——获得超细纳米孪晶结构。(编辑 姜文超 艾冬梅)

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