极硬纳米孪晶氮化硼的高压合成及其性能研究

Nanotwinned cubic boron nitride (nt-cBN) bulk materials with various properties will be synthesized by employing onion BN with different diameters and BN nanotube with different sizes as raw materials under pressure of ~25 GPa and temperature of ~2000 C by Rockland T25 press. The relationships among the raw materials features, external conditions (e.g. pressure, temperature, and pressure transmitting medium) , the microstructure of quenched phase (e.g., nt-cBN and novel metastable BN allotropes) and properties of the products will be systematically researched. Furthermore, the high pressure phase diagram of nt-cBN will be detected. The mechanism of transitions of o-BN→nt-cBN, BN nanotube→nt-cBN, o-BN→new BN and BN nanotube→new BN will be studied. By means of first principle calculations, the microstructures of nt-cBN and the crystal structure of novel metastable BN allotropes will be simulated. The influencing factors of hardness, toughness, and antioxidation temperature of the synthesized products will be investigated. The nt-cBNs bulk with different twin thickness would be obtained through adjusting the dimensions of raw materials and synthesizing process. The best synthesizing processes of the nt-cBN bulks with the highest hardness, toughness, and antioxidization temperature will be gained.

用不同粒度的洋葱BN和不同规格的BN纳米管为原料，采用Rocklend T25压机，在~25GPa、~2000℃的高温高压实验参数范围内，合成具有不同性能的纳米孪晶cBN块材。系统地研究洋葱BN的粒度和BN纳米管规格、合成条件（压力、温度、高压介质材料）和相变产物(纳米孪晶cBN及新型BN亚稳相)结构与性能之间的关系，测绘纳米孪晶cBN的高压相图。 研究洋葱BN和BN纳米管向纳米孪晶cBN和BN新相转变的相变机理，结合第一性原理计算研究纳米孪晶BN的组织结构和BN新相的晶体结构。研究合成产物的硬度、韧性和抗氧化温度的影响因素，通过调控原料尺度和合成工艺条件得到具有不同孪晶厚度的纳米孪晶cBN块材，获得具有最高硬度、最高韧性和最高抗氧化温度纳米孪晶cBN的最佳工艺条件。

本项目在B-N化合物的晶体结构设计和纳米孪晶氮化硼块材的高温高压合成方面的研究中取得了重要进展：1）采用第一性原理计算方法对B-N化合物进行了晶体结构设计，提出了两种具有奇异导电性的新型B-N化合物、构建了多种具有三层周期的新型BN层状结构、研究了大管径单壁氮化硼纳米管在高压下的结构演变；2）采用原位同步辐射X射线衍射和高温高压实验技术，得到了在常温至2200℃和常压至22 GPa的温压范围内的oBN相转变图；3）研究了oBN的高压相变过程和孪晶组织的形成机制；4）采用不同粒径的洋葱氮化硼原料作为前驱物，在~22GPa、~2000℃的高温高压条件下，合成了4种不同孪晶含量的纳米晶立方氮化硼块材。.本项目发表资助号标注的学术论文7篇，获授权专利2项；培养博士研究生5人，其中毕业3人；培养硕士研究生3人。