纳米结构超硬块材的微观结构设计与实验合成

According to the theoretical model we have developed, hardness of a polycrystalline covalent material should come from the common contributions of Hall-Petch and quantum confinement effects. At the nanoscale, the hardening from the quantum confinement effect could fully compensate the softening from grain-boundary sliding. According to this principle, our explorations are in the two aspects: how to make superhard materials ultrahard, and how to make hard materials superhard. We will study the structural phase transitions and microstructural evolutions of polar covalent precursor materials under high pressures, reveal the effects of structural characteristics and grain sizes for precursor materials on phase-transition conditions and microstructures of synthetic products, and explore the methods of microstructure design and performance adjustment for nanostructured bulk materials. Using high-temperature and high-pressure technology, we will synthesize ultrahard nanostructured bulks of diamond, cubic BN and their composites, and synthesize superhard nanostructured materials of SiO2 and AlN that are not intrinsically superhard. Based on these results, we will carry out molecular dynamics simulations to reveal the microstructural evolutions under high pressures and to clarify the hardening mechanism of the nanostructured bulk materials. In these nanostructured materials, we will strive to find new hardening and toughening phenomena, to clarify their physical origins, and to provide scientific basis, design strategy and synthesis technology for the development of the next generation of high-performance superhard materials.

根据我们发展的理论模型，多晶共价材料的硬度应源于Hall-Petch效应和量子限域效应的共同贡献；在纳米尺度，量子限域效应引起的硬化完全可能补偿掉晶界滑移所引起的软化。根据这一原理，我们进行两个方面的探索：一是如何将超硬材料变得极硬，二是如何将硬材料变得超硬。为此，我们将研究极性共价前驱物材料在高压下的结构相变和组织演化，揭示相变条件和显微组织与前驱物材料的结构特征和晶粒尺寸的关系，开展纳米结构块材的微结构设计和力学性能调控研究。采用高温高压技术，合成出极硬的纳米结构金刚石、立方BN及其复合材料块材，并将SiO2和AlN这些非超硬材料制成超硬的纳米结构材料。在此基础上，我们将开展分子动力学模拟，揭示出高压下的组织演化规律，阐明纳米结构块材的硬化机制；力争在这些纳米结构材料中发现新的硬化和韧化现象，阐明其物理根源，为发展下一代高性能超硬材料提供科学依据、设计策略和合成技术。

在超硬材料的研究中取得了一系列重要进展：1）深入研究了纳米孪晶结构化同时提高超硬材料硬度、断裂韧性和热稳定性的机理。2）采用粒径20~50 nm的洋葱碳纳米颗粒前驱体，在20 GPa、2000℃高温高压条件下合成了透明的、纳米孪晶结构的金刚石块材。该材料显示了前所未有的力学性能和更好的热稳定性，其维氏硬度高达200 GPa，是天然金刚石单晶硬度的两倍，实现了合成出比天然金刚石更硬人工材料的人类梦想；断裂韧性最高可达15 MPa•m0.5；抗氧化温度比天然金刚石提高了200℃以上。纳米孪晶金刚石的完美性能组合正是源于其独特的纳米孪晶显微结构。3）采用玻璃碳为原料，在高温高压下合成出一类sp2/sp3混合杂化的压缩玻璃碳材料，具有奇异的性能组合：其密度及导电性与石墨相近；压缩强度可达9 GPa，明显高于金属和陶瓷材料；比强度是碳纤维、聚晶金刚石、碳化硅、碳化硼陶瓷的2倍以上；硬度与红宝石相当，可刻划碳化硅单晶；局部变形的弹性恢复率超过70%，高于形状记忆合金和有机橡胶。这类轻质、超强、高硬、高弹、导电的新型碳在诸多领域具有应用前景。此外，采用第一性原理计算方法设计了系列碳、氮化硼和碳化硼等新型超硬材料。.2014年以来，本项目在Nature、Science Advances、Annual Review of Materials Research等国际著名期刊上发表SCI论文74篇（影响因子大于7的文章14篇），总引用950次；其中纳米孪晶金刚石和压缩玻璃碳等工作被Nature、Science、Sciencedaily、新华网等国内外著名杂志和新闻媒体亮点报道和评述；纳米孪晶金刚石成果入选2014年度中国科学十大进展和2014年度中国高等学校十大科技进展。获授权发明专利8项（其中国际专利4项）。毕业博士生12名，硕士生16名。