燕山大学在超硬材料硬化机理研究方面获突破

    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组在国家自然科学基金创新研究群体、重点项目、面上项目以及科技部973项目的持续资助下，与国内外科学家合作，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，提出了材料硬化新机制。其研究成果发表在2013年1月17日最新一期的Nature杂志上。
    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已得到了广泛应用。令人遗憾的是，人工合成立方氮化硼单晶的硬度还不到金刚石单晶硬度的一半。根据著名的Hall-Petch关系，多晶材料的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其硬度的有效手段。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14nm。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，在高压下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3.8nm。这种材料表现出优异的综合性能：维氏硬度108GPa达到甚至超过人工合成的金刚石单晶，断裂韧性12.7MPa?m0.5高于商用硬质合金，抗氧化温度高于立方氮化硼单晶本身。
    大量的实验结果和分子动力学模拟均已证明：在临界尺寸（10-15nm）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（Hall-Petch效应）；在临界尺寸以下，强度和硬度却随晶粒尺寸减小而减小（反Hall-Petch效应）。关于多晶极性共价材料的硬度，最近田永君小组提出了一个理论模型（Int.J.Refract.Met.Hard.Mater.33(2012),93-106），该模型预言：在纳米尺度，硬化机制除了Hall-Petch效应的贡献还应有量子限域效应的附加贡献。现在的实验结果表明，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3.8nm却不发生软化，证实了多晶共价材料硬化机制中量子限域效应的存在。研究成果突破了人们对材料硬化机制的传统认识，给出了一种合成高性能超硬材料的全新途径。