纳米晶超硬BN和BN/C块材的高温高压合成及性能研究

采用大体积超高压高温(T25)技术，在1-25GPa和500-2000℃的压力温度范围内，以氮化硼(BN)纳米结构单元(球或管)和碳(C)纳米结构单元(碳纳米管、或粉及C60)为原料，研究高温高压条件下BN纳米结构的演变过程，建立纳米晶BN块材微观结构和力学性能的关系。借助于高压高温下BN和C的sp2键向sp3转化的特性来形成超硬BN/C复合纳米晶，研究高温高压条件下BN与C的反应规律以及复合纳米晶的相组成及同质界面和异质界面结构特征，建立BN/C复合纳米晶块材性能与微观组织和界面结构的关系。系统测定两种块材的力学、电学、热学及抗氧化性能等基本物理性质。通过掌握BN和C纳米结构高压相变规律和化学键型的转化机制，探索合成致密的BN纳米晶和BN/C复合纳米晶超硬材料的技术途径。本项目研究成果将为人们正确理解这类材料形成机制和物理性质，成功制备高性能纳米固体超硬材料提供基础性的实验数据。

采用T25高温高压合成技术，以圆葱结构氮化硼(o-BN)和石墨(o-graphite)为原料，在12~25GPa和1200~2300℃的条件下分别合成了纳米孪晶立方氮化硼(nt-cBN)和纳米孪晶金刚石(nt-diamond)极硬块体材料。其中nt-cBN的硬度为108GPa，达到金刚石单晶的硬度，几乎是cBN单晶的两倍；断裂韧性达到12.7 MPa·m1/2，是cBN单晶的4.5倍(2.8 MPa·m1/2)，比纳米晶立方氮化硼(ng-BN)块体(10.5 MPa·m1/2)和商用硬质合金(10 MPa·m1/2)分别高21%和27%；抗氧化温度高达1294℃，比cBN单晶(1103℃)、ng-cBN(1187℃)和多晶cBN烧结体(1000℃)分别高191℃、107℃和294℃，相关的研究结果已发表在Nature (Vol.493 (2013)，385)杂志上，并入选2013年度“中国科学十大进展”和“中国高等学校十大科技进展”。nt-cBN所具有的优异综合力学性能源于纳米o-BN中球面弯曲的原子面强烈阻碍了c-BN晶粒生长，使晶粒尺寸限制在几个纳米内，而在晶粒间借助能量较低的孪晶面互相共格结合，大量的孪晶组织使材料硬度显著提高的同时，也使断裂韧性明显提高。基于同样原理制备的nt-diamond块体材料的性能更加优异，材料中同样存在大量的孪晶组织，导致材料的努氏硬度高可达196GPa，断裂韧性9.7~14.8 MPa·m1/2，耐氧化温度1056℃，详细的研究结果已发表在Nature(Vol.510 (2014)，250)杂志上，并入选2014年度“中国科学十大进展”和“中国高等学校十大科技进展”。我们认为纳米孪晶超硬材料产生优异综合性能的原因有三个：一是均匀的纳米晶粒尺寸及良好的界面结合状态，充分发挥了Hall-Petch纳米强化效应；二是晶粒内部包含大量的孪晶组织，有效地阻止材料的变形和断裂裂纹的宽展；三是细小的孪晶组织引起强的量子限域效应使其硬度显著升高，我们的研究结果揭示了一种借助纳米孪晶结构制备超硬材料的新途径。