纳米结构对超硬材料强度激增效应新机制的第一性原理计算探索

The proposed research project plans to conduct studies on new nano super-hard or super-strong materials by first-principles calculation methods. The first part of the project is to search and study the new mechanism for the giant strengthening effect experimentally observed in nanotwined super-hard materials. By using first principles calculations, we will try to explain the 200GPa super-high Vickers hardness of the newly synthesized nanotwined diamond in indentation hardness tests, understand on the atomistic level the mechanism of this giant strengthening effect on nanotwined super-hard materials, and further more predict the strengthening effect of nanotwined structures in other electronic materials that have wide potential applications, such as SiC which is a new generation of semiconductor materials suitable for electronic device applications in more hazardous environments. The second part of the project is to search new high presure nano super-hard or super-strong structures appearing in Cn fullerene or clathrate materials under high pressure server plastic deformation processes (such as rotational diamond anvil cell). By using first-principles calculations, we apply both hydrostatic pressures and shear stresses to these Cn fullerene or clathrate materials simulating the high pressure server plastic deformation processes to search for new high pressure nano super-hard or super-strong materials. The research works proposed in this project will provide important guiding directions for synthesizing new nano super-hard or super-strong materials.

本研究项目将开展对新型纳米超硬超强材料的第一性原理计算研究，其中第一部分工作是探索新型纳米孪晶超硬材料中强度激增效应的新机制，我们将通过第一性原理计算解释最新实验合成的纳米孪晶金刚石高达200GPa的超高维氏刻压硬度的实验结果，从原子层面深入理解纳米孪晶结构对超硬材料硬度或强度激剧增强效应的微观机理，并进一步预测纳米孪晶结构对其它有重要应用背景的材料，如更适合在恶劣环境工作的新一代半导体SiC等材料强度的增强效应。本项目的第二部分工作是搜寻富勒烯Cn聚合物或络合物晶体在高压大形变（如旋转金刚石压砧）过程中出现的新型高压纳米超硬超强结构，我们将通过第一性原理计算方法，对富勒烯聚合物或络合物晶体同时施加各向同性压力和切向应力，模拟这类材料的高压大形变过程，搜索可能合成的新型高压纳米超硬超强材料。本项目的研究工作对设计合成新型纳米超硬超强材料有重要的理论指导意义。

本研究项目开展了对新型纳米超硬超强材料的第一性原理计算研究，其中第一部分研究工作为探索新型纳米孪晶超硬材料中出现的强度激增的新机制，我们通过第一性原理计算解释了实验合成的纳米孪晶金刚石（nt-Dia）高达200GPa的超高维氏刻压硬度实验结果，从原子层面深入理解了纳米孪晶结构造成超硬材料硬度或强度激增的微观机制，提出了纳米孪晶面引起的形变增强（strain stiffening）效应。进一步，通过有限元分析和第一性原理计算相结合的多尺度计算表明，利用nt-Dia设计的二级金刚石对顶砧（double-stage DAC）结构可以产生1TPa以上的超高静态压力。在本项目的第二部分研究工作中，我们建立了旋转切变模型的计算方法，计算研究了由C60碎片构成的润滑玻璃碳（glassy carbon）结构在切向应力作用下向超硬金刚石无序碳结构的相变过程。最后，利用第一性原理分子动力学方法，开展了高温高压下各向异性应力引起的金刚石提前熔化过程的研究，这部分工作正在新的自然基金资助下进一步深入进行。