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我科学家研制出硬度超过金刚石单晶

的新材料—纳米孪晶结构立方氮化硼

    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与中外科学家合作,采用高温高压技术成功地合成出硬度超过金刚石单晶的纳米孪晶结构立方氮化硼材料,论文发表在2013年1月17日出版的《自然》杂志上。鉴于成果的重要性,《自然》杂志在该期封面和目录页对田永君等人的论文进行了导读,并配发了合成样品的原图,导读题目和内容“硬时代:现在立方氮化硼在其极硬态与金刚石相匹敌”形象而生动地介绍了该文。
    上世纪50年代中叶,科学家们相继人工合成了金刚石和立方氮化硼单晶。从此,它们就成为工业界广泛使用的超硬材料,在现代加工业中发挥着不可替代的作用。超硬是指维氏硬度大于40 GPa,而极硬是指维氏硬度大于80 GPa。一直以来,金刚石号称是自然界中最硬的,硬度为60~100 GPa ;立方氮化硼次之,硬度为30~43 GPa。由于金刚石的抗氧化温度低(约600°C)且与铁基材料反应,只能用于陶瓷类材料和铝、镁合金的加工。立方氮化硼的抗氧化温度高(约1100°C)且不与铁基材料反应,因此在钢铁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,韧性也差。为此,大幅度提高立方氮化硼材料的硬度和韧性成为学术界和产业界的共同追求。
    近十年来,田永君教授在国家自然科学杰出青年基金项目(50225207),重点项目(50532020)、创新群体项目(50821001)以及多项面上项目的持续资助下,致力于材料硬度的理论和实验研究。从化学键入手,2003年他提出了共价晶体硬度的微观理论,解决了单晶硬度定量预测的理论难题。2012年,他又将单晶硬度理论进行拓展,提出并建立了多晶材料硬度的理论模型。该模型预言:超细纳米结构可以使现有的硬材料变得超硬,使现有的超硬材料变得极硬。
    在理论的指导下,田永君及其合作者首先采用一种具有类似俄罗斯套娃结构的洋葱氮化硼纳米颗粒为原料成功地合成出透明的纳米孪晶结构立方氮化硼,硬度达到了108 GPa,超过了金刚石单晶。孪晶的平均厚度仅为3.8 nm,远低于传统知识中人们普遍认为的材料硬化的下限值,此时材料不仅没有出现软化,反而持续硬化。更为可喜的是,材料的韧性和抗氧化温度也同时得到了明显提高。
    其次,根据2012年提出的理论模型,他们认为多晶共价材料的硬化机制除了大家熟知的霍尔-佩奇效应,还应有量子限域效应的附加贡献。由此可以断言:量子限域效应带来的硬化完全可以补偿反霍尔-佩奇效应引起的软化;随显微组织尺寸减小,多晶共价材料可以持续硬化却不会发生软化。该研究的实验数据证实了这一论断,从而突破了人们对材料硬化机制的传统认识,为发展高性能超硬材料指明了方向。如果将这一原理和技术应用于其它材料特别是金刚石,其硬度、韧性和稳定性将得到大幅度提高,新的硬度记录将会诞生,这将对世界机械加工业的发展产生深远影响。
    自然杂志以亮点新闻稿“出类拔萃的超硬材料”向国际媒体介绍了该项成果,并指出“这个新材料能够打开广泛的工业应用”,迅速引起了广泛关注,以德国国家电台、《科学美国人》、“美国连线”为代表的众多世界著名媒体和杂志都进行了专题报道,正如美国连线记者Nathan Hurst指出的那样:“金刚石是世界上最硬的材料这只是个误传的“事实””。美国材料研究会在其Materials360科学网站上撰文“作为切削工具,新的极硬立方氮化硼挑战金刚石”,文中指出:“钻石是永恒的,但作为世界上最硬材料的地位可能受到了挑战。研究者发现,通过将特征显微组织尺寸减小到过去未曾达到的尺度,立方氮化硼可以达到极高硬度的新水平。超硬的、韧的和稳定的这些特性使立方氮化硼的应用甚至可能超过金刚石”。

陈克新、沈林福,苗鸿雁

 
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