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                超硬材料的最新研究進展

                 
                燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室田永君教授領導的研究小組與吉林大學超硬材料國家重點實驗室馬琰銘教授、美國芝加哥大學王雁賓教授和河北工業大學唐成春教授等科學家合作,在多晶超硬材料合成技術和超硬材料硬化機理研究方面取得突破性進展。利用高溫高壓技術成功地合成出超高硬度的納米孿晶結構立方氮化硼塊材,該研究成果發表在2013年1月17日最新一期的《自然》(Nature)雜志上(DOI: 10.1038/nature11728)。  
                     立方氮化硼是一種重要的超硬材料,在鐵基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。根據著名的霍爾-佩奇(Hall-Petch)關系,多晶材料硬度隨晶粒尺寸減小而增大。因此,合成納米結構立方氮化硼已成為提高硬度的有效手段。利用類石墨結構氮化硼前驅物在高溫高壓下的馬氏體相變,科學家們已合成出納米晶立方氮化硼,所能達到的最小晶粒尺寸為14 nm。田永君及其合作者采用一種具有特殊結構的洋蔥氮化硼為前驅物成功地合成出透明的納米孿晶結構立方氮化硼,孿晶的平均厚度僅為3.8 nm,其硬度達到甚至超過人工合成的金剛石單晶,斷裂韌性高于商用硬質合金,抗氧化溫度高于立方氮化硼單晶本身。這些優異的綜合性能表明納米孿晶結構立方氮化硼是一種工業界期盼已久的刀具材料。
                    業已證明:在臨界尺寸(約10-15 nm)以上,金屬及合金材料的硬度和強度隨晶粒尺寸減小而增大(霍爾-佩奇效應),但在臨界尺寸以下,強度和硬度卻隨晶粒尺寸減小而減。ǚ椿魻-佩奇效應)。令人驚奇的是,納米孿晶結構立方氮化硼隨孿晶厚度減小能夠持續硬化到3.8 nm卻不發生軟化。他們的理論分析表明:在納米尺度邊,多晶極性共價材料的硬化機制除了大家熟知的Hall-Petch效應還有量子限域效應的附加貢獻。研究成果突破了人們對材料硬化機制的傳統認識,向人們展現了合成高性能超硬材料的新途徑——獲得超細納米孿晶結構。

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