燕山大学田永君院士团队成功研发新型超硬材料——纳米晶立方碳化硅

关键词 超硬材料|2022-05-13 10:09:43|来源 中国超硬材料网
摘要 超硬材料是指维氏硬度超过40GPa的材料,可分为天然以及人造两种。前者主要包括天然的钻石,后者则包括人造金刚石、立方氮化硼等。凭借高硬度,超硬材料被制作成加工其它材料的工具,用在....

超硬材料是指维氏硬度超过40 GPa的材料,可分为天然以及人造两种。前者主要包括天然的钻石,后者则包括人造金刚石、立方氮化硼等。凭借高硬度,超硬材料被制作成加工其它材料的工具,用在航空航天、国防军工、石油勘探、机床、汽车等领域。除了用来制造工具之外,超硬材料在光学、电学、热学方面具有一些特殊性能,是一种重要的功能材料,引起了人们的高度重视,这方面的性能和用途正在不断地得到研究开发。
       燕山大学田永君院士团队一直致力于高性能超硬材料的制备,2013年该团队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合成出硬度超过人造金刚石单晶的纳米孪晶结构立方氮化硼材料,这一原创性成果发表在2013年1月17日的《Nature》杂志上,并且入选了2013年度中国科学十大进展和中国高等学校十大科技进展。随后再次取得突破,在高温高压下成功地合成出硬度两倍于天然金刚石的纳米孪晶结构金刚石块材。研究成果发表在2014年6月11日的《Nature》杂志上。 
      燕山大学田永君院士团队高国英、徐波教授将纳米结构化策略引入到立方碳化硅这一传统的硬质材料,立方碳化硅即β-SiC,是众所周知的典型硬度<30 GPa的硬质材料,但将立方碳化硅的硬度提高到超过40 GPa的超硬阈值仍然是一个重大挑战。 
       田永君院士团队高国英教授、徐波教授通过高温高压烧结纳米颗粒制备出了纳米晶立方碳化硅块体,根据烧结条件,这些立方碳化硅块体被致密地烧结,平均晶粒尺寸低至10 nm,并且维氏硬度随着晶粒尺寸的减小而增加,在25 GPa和1400 ℃下烧结的块体显示出10 nm的平均晶粒尺寸和41.5 GPa的维氏硬度,成功将立方碳化硅这一传统硬质材料提升为超硬材料,可媲美单晶立方氮化硼。其显微组织结构见图1。

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       将立方碳化硅的硬度提高到超硬阈值(40 GPa)以上是超硬材料研究领域的重大进展,通过在其他硬质材料中实施类似的纳米结构化策略,超硬材料家族有望迎来更多的新成员。相关研究成果以“ Nanocrystalline cubic silicon carbide: A route tosuperhardness ”为题,发表于2022年4月8日的《Small》杂志上。

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