复杂金属间化合物额外电子诱导共价强化机理以及相关效应的研究

材料的强韧化一直是金属材料研究的核心问题之一。在研究以二十面体为基本组成单元的富铝Al12W类型复杂金属间化合物的稳定性、电子结构和机械性能时，我们发现了额外电子诱导共价强化现象。这种强化现象与传统的金属材料强化方式显著不同。它是通过一个临界电子浓度的改变使金属材料从韧性较好的金属键转变为脆性较强的共价键，从而显著增强材料的强度。本项目以深入挖掘该现象的内在机制为出发点，开展由其演化的材料本征强韧性判据和材料硬度模型的研究。我们将以理论推导、第一性原理计算模拟和实验验证为主要手段，系统理解和澄清它们之间的必然关联，特别是探索额外电子诱导共价强化现象的作用机制，揭示本征强韧性判据及材料硬度模型的物理机理。并将研究结果应用于先进结构材料的设计，开发成本更低且更易合成的新型超硬材料。

设计新型高强材料一直是材料学研究领域的核心问题之一，同时也是工程技术领域发展的有力支撑。在此背景下，本项目以从电子结构的角度认识材料强化和高强和超硬材料的第一性原理计算和实验研究为重点，以理论推导、第一原理计算模拟和实验表征等为主要手段：系统研究了（1）Al12X（X=Cr、Mo、W、Mn、Tc或Re）型金属间化合物的电子结构、化学键属性及力学性能，发现通过改变过渡族金属元素的价电子浓度可使过渡族金属间化合物戏剧性地从塑性较好的金属键转变为强度较高的共价键，从而显著提高了材料的强度。（2）受此启发，进一步研究材料的两个经典判据Pugh模量比率判据G/B和Cauchy压力判据C12-C44，在此基础上提出了材料的强塑性转变一般化经验判据。（3）通过对维氏硬度进行概念解析，构建了适用于弹性范围内失效材料的硬度预测模型Hv=0.151G，并成功应用于金属玻璃的硬度预测。通过引入可反映材料塑性变形能力的Pugh模量比率G/B，构建了适用于多晶材料的硬度预测的新模型Hv=2(k2G)0.585-3（其中，k=G/B）。该模型准确预测出所有典型的硬材料（包括所有已知的超硬材料）的硬度，克服了其它硬度模型预测值普遍偏高和无法预测高各向异性材料硬度的缺点。（4）在对系列过渡族金属硼化物进行结构分析的基础上，系统研究了一系列金属硼化物CrB4，WB3/WB4，MnB4 和Ir-B体系。在这些材料中晶体结构中的B原子都形成了三维共价网络，符合硬材料的典型特征。基于此，提出了新型过渡族金属化合物超硬材料的设计原则。过渡族金属硼化物的结构表征是一个长期困扰材料学者的难题，采用第一性原理计算，发现近50年前表征得到的CrB4，WB3/WB4， MnB4和Ir-B体系的的晶体结构都是错误的。并通过实验合成和结构表征证实了理论研究结果的正确性。（5）冷压石墨和冷压碳纳米管相作为碳的同素异构体，其晶体结构一直未得到准确解析，项目通过对石墨烯和金刚石进行拓扑结构分析，发现了二维碳结构和三维碳结构间的拓扑结构关联性，同时提出了两种典型的碳链（Armchair和Zigzag链）的拓扑组合规律。基于此构建了5+7+6和4+8+6等碳环组成的S型和B型两类碳同素异构体家族，其硬度均在68~88 GPa之间，解决了长期困扰该领域学者的碳结构难题。