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我國科學家研製出硬度超金剛石單晶新材料

【閱讀】24 次    【發布】2017-12-20 10:55

燕山大學亞穩材料製備技術與科學國家重點實驗室田永君教授與中外科學家合作,采用高溫高壓技術成功地合成出硬度超過金剛石單晶的納米孿晶結構立方氮化硼材料,論文發表在2013117日出版的《自然》雜誌上。鑒於成果的重要性,《自然》雜誌在該期封麵和目錄頁對田永君等人的論文進行了導讀,並配發了合成樣品的原圖,導讀題目和內容“硬時代:現在立方氮化硼在其極硬態與金剛石相匹敵”形象而生動地介紹了該文。

 

上世紀50年代中葉,科學家們相繼人工合成了金剛石和立方氮化硼單晶。從此,他們就成為工業界廣泛使用的超硬材料,在現代加工業中發揮著不可替代的作用。超硬是指維氏硬度大於40 GPa,而極硬是指維氏硬度大於80 GPa。一直以來,金剛石號稱是自然界中最硬的,硬度為60100 GPa;立方氮化硼次之,硬度為3043 GPa。由於金剛石的抗氧化溫度低(約600℃)且與鐵基材料反應,隻能用於陶瓷類材料和鋁、鎂合金的加工。立方氮化硼的抗氧化溫度高(約1100℃)且不與鐵基材料反應,因此在鋼鐵材料加工行業中獲得了廣泛應用。遺憾的是,人工合成立方氮化硼單晶的硬度還不到金剛石單晶的一半,韌性也差。為此,大幅度提高立方氮化硼材料的硬度和韌性成為學術界和產業界的共同追求。

 

近十年來,田永君教授在國家傑出青年科學基金項目、重點項目、創新群體項目以及多項麵上項目的持續資助下,致力於材料硬度的理論和實驗研究。從化學鍵入手,2003年提出了共價晶體硬度的微觀理論,解決了單晶硬度定量預測的理論難題。2012年,又將單晶硬度理論進行拓展,提出並建立了多晶材料硬度的理論模型。該模型預言:超細納米結構可以使現有的硬材料變得超硬,使現有的超硬材料變得極硬。

 

在以上理論的指導下,田永君及其合作者首先采用一種具有類似俄羅斯套娃結構的洋蔥氮化硼納米顆粒為原料成功地合成出透明的納米孿晶結構立方氮化硼,硬度達到108 GPa,超過金剛石單晶。孿晶平均厚度僅為3.8 nm,遠低於傳統知識中人們普遍認為的材料硬化的下限值,此時材料不僅沒出現軟化,反而持續硬化。更可喜的是,材料韌性和抗氧化溫度也同時得到了明顯提高。

 

其次,根據2012年提出的理論模型,他們認為多晶共價材料的硬化機製除了大家熟知的霍爾-佩奇效應,還有量子限域效應的附加貢獻。由此可以斷言:量子限域效應帶來的硬化完全可以補償反霍爾-佩奇效應引起的軟化;隨顯微組織尺寸減小,多晶共價材料可以持續硬化卻不發生軟化。該研究的實驗數據證實了這一論斷,從而突破了人們對材料硬化機製的傳統認識,為發展高性能超硬材料指明了方向。如果將這一原理和技術應用於其他材料特別是金剛石,其硬度、韌性和穩定性將得到大幅度提高,新的硬度記錄將會誕生,這將對世界機械加工業的發展產生深遠影響。

 

《自然》雜誌以亮點新聞稿“出類拔萃的超硬材料”向國際媒體介紹了該項成果,並指出“這個新材料能夠打開廣泛的工業應用”,迅速引起了廣泛關注,以德國國家電台、《科學美國人》、“美國連線”為代表的眾多世界著名媒體和雜誌都進行了專題報道,正如美國連線記者Nathan Hurst指出的那樣:“金剛石是世界上最硬的材料這隻是個誤傳的‘事實’”。美國材料研究會在其Materials360科學網站上撰文“作為切削工具,新的極硬立方氮化硼挑戰金剛石”,文中指出:“鑽石是永恒的,但作為世界上最硬材料的地位可能受到了挑戰。研究者發現,通過將特征顯微組織尺寸減小到過去未曾達到的尺度,立方氮化硼可以達到極高硬度的新水平。超硬的、韌的和穩定的這些特性使立方氮化硼的應用甚至可能超過金剛石”。