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我国迷信家研制出硬度超金刚石单晶新质料

【阅读】104 次    【公布】2017-12-20 10:55

燕山大学亚稳质料制备技能与迷信国度重点实行室田永君传授与中内科学家互助,接纳低温高压技能乐成地分解出硬度凌驾金刚石单晶的纳米孪晶布局立方氮化硼质料,论文宣布在2013117日出书的《天然》杂志上。鉴于效果的紧张性,《天然》杂志在该期封面和目次页对田永君等人的论文举行了导读,并配发了分解样品的原图,导读标题和内容“硬期间:如今立方氮化硼在其极硬态与金刚石相对抗”抽象而生动地介绍了该文。

 

上世纪50年月中叶,迷信家们相继人工分解了金刚石和立方氮化硼单晶。今后,他们就成为产业界普遍利用的超硬质料,在古代加产业中发扬着不行替换的作用。超硬是指维氏硬度大于40 GPa,而极硬是指维氏硬度大于80 GPa。不停以来,金刚石号称是天然界中最硬的,硬度为60100 GPa;立方氮化硼次之,硬度为3043 GPa。由于金刚石的抗氧化温度低(约600℃)且与铁基质料反响,只能用于陶瓷类质料和铝、镁合金的加工。立方氮化硼的抗氧化温度高(约1100℃)且不与铁基质料反响,因而在钢铁质料加工行业中取得了普遍使用。遗憾的是,人工分解立方氮化硼单晶的硬度还不到金刚石单晶的一半,韧性也差。为此,大幅度进步立方氮化硼质料的硬度和韧性成为学术界和财产界的配合寻求。

 

近十年来,田永君传授在国度出色青年迷信基金项目、重点项目、创新群体项目以及多项面上项目标继续赞助下,努力于质料硬度的实际和实行研讨。从化学键动手,2003年提出了共价晶体硬度的微观实际,办理了单晶硬度定量展望的实际困难。2012年,又将单晶硬度实际举行拓展,提出并创建了多晶质料硬度的实际模子。该模子预言:超细纳米布局可以使现有的硬质料变得超硬,使现有的超硬质料变得极硬。

 

在以上实际的引导下,田永君及其互助者起首接纳一种具有相似俄罗斯套娃布局的洋葱氮化硼纳米颗粒为质料乐成地分解出通明的纳米孪晶布局立方氮化硼,硬度到达108 GPa,凌驾金刚石单晶。孪晶均匀厚度仅为3.8 nm,远低于传统知识中人们广泛以为的质料硬化的上限值,此时质料不但没呈现硬化,反而继续硬化。更可喜的是,质料韧性和抗氧化温度也同时失掉了分明进步。

 

其次,依据2012年提出的实际模子,他们以为多晶共价质料的硬化机制除了各人熟知的霍尔-佩奇效应,另有量子限域效应的附加奉献。由此可以断言:量子限域效应带来的硬化完全可以赔偿反霍尔-佩奇效应惹起的硬化;随显微构造尺寸减小,多晶共价质料可以继续硬化却不产生硬化。该研讨的实行数据证明了这一结论,从而打破了人们对质料硬化机制的传统了解,为开展高功能超硬质料指明白偏向。假如将这一原理和技能使用于其他质料分外是金刚石,其硬度、韧性和波动性将失掉大幅度进步,新的硬度记载将会降生,这将对天下机器加产业的开展发生深远影响。

 

《天然》杂志以亮点新闻稿“鹤立鸡群[hè lì jī qún]的超硬质料”向国际媒体介绍了该项效果,并指出“这个新质料可以翻开普遍的产业使用”,敏捷惹起了普遍存眷,以德国国度电台、《迷信美国人》、“美国连线”为代表的浩繁天下闻名媒体和杂志都举行了专题报道,正如美国连线记者Nathan Hurst指出的那样:“金刚石是天下上最硬的质料这只是个误传的‘现实’”。美国质料研讨会在其Materials360迷信网站上撰文“作为切削东西,新的极硬立方氮化硼应战金刚石”,文中指出:“钻石是永久的,但作为天下上最硬质料的位置大概遭到了应战。研讨者发明,经过将特性显微构造尺寸减小到已往不曾到达的标准,立方氮化硼可以到达极高硬度的新程度。超硬的、韧的和波动的这些特征使立方氮化硼的使用乃至大概凌驾金刚石”。