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燕山大學超硬材料硬化機理研究獲突破
發布者:admin 發布時間:2014-3-16 15:23:14 閱讀:2590

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組在國家自然科學基金創新研究群體、重點項目、面上項目以及科技部973項目的持續資助下,與國內外科學家合作,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,提出了材料硬化新機制。其研究成果發表在2013年1月17日最新一期的Nature雜志上。

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已得到了廣泛應用。令人遺憾的是,人工合成立方氮化硼單晶的硬度還不到金剛石單晶硬度的一半。根據著名的Hall-Petch關系,多晶材料的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其硬度的有效手段。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14nm。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,在高壓下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3.8nm。這種材料表現出優異的綜合性能:維氏硬度108GPa達到甚至超過人工合成的金剛石單晶,斷裂韌性12.7MPa?m0.5高于商用硬質合金,抗氧化溫度高于立方氮化硼單晶本身。

大量的實驗結果和分子動力學模擬均已證明:在臨界尺寸(10-15nm)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(Hall-Petch效應);在臨界尺寸以下,強度和硬度卻隨晶粒尺寸減小而減小(反Hall-Petch效應)。關于多晶極性共價材料的硬度,最近田永君小組提出了一個理論模型(Int.J.Refract.Met.Hard.Mater.33(2012)&@%FwG122*93-106),該模型預言:在納米尺度,硬化機制除了Hall-Petch效應的貢獻還應有量子限域效應的附加貢獻。現在的實驗結果表明,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3.8nm卻不發生軟化,證實了多晶共價材料硬化機制中量子限域效應的存在。研究成果突破了人們對材料硬化機制的傳統認識,給出了一種合成高性能超硬材料的全新途徑。

 
 

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