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燕山大學(xué)田永君院士課題組高國(guó)英教授、徐波教授《Small》:新型超硬材料 - 納米晶立方碳化硅

時(shí)間:2022-04-28 來源: 瀏覽:

燕山大學(xué)田永君院士課題組高國(guó)英教授、徐波教授《Small》:新型超硬材料 - 納米晶立方碳化硅

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#納米晶 2 個(gè)
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超硬材料 ( H V  > 40 GPa) 具有優(yōu)越的硬度、不可壓縮性和耐磨性, 被廣泛 使 用于機(jī)械加工及高壓科學(xué)等領(lǐng)域 。 現(xiàn)階段, 超硬材料 主要局限于金剛石和立方氮化硼,兩者早在上世紀(jì) 50 年代就 已實(shí)現(xiàn)了人工 合成。 近期的研究表明,納米結(jié)構(gòu)化是提升超硬材料硬度的有效途徑,例如納米晶金剛石、納米晶立方氮化硼等。能否將納米結(jié)構(gòu)化策略應(yīng)用于傳統(tǒng)的硬質(zhì)材料 ( H V  < 40 GPa) ,從而制備出異于 金剛石和立方氮化硼 的新型超硬材料,是超硬材料研究的重要挑戰(zhàn)之一。

燕山大學(xué)田永君院士課題組高國(guó)英 、徐波 教授 將納米結(jié)構(gòu)化策略引入到碳化硅這一傳統(tǒng)的硬質(zhì)材料,在高溫高壓條件下成功制備出納米晶結(jié)構(gòu)的立方碳化硅致密塊材,塊材中平均 晶粒尺寸低至 10 nm 。受益于這種獨(dú)特的顯微組織結(jié)構(gòu),塊材的維氏硬度相較于商用碳化硅大幅度提高,可媲美單晶立方氮化硼。該研究首次將立方碳化硅這一傳統(tǒng)硬質(zhì)材料提升為超硬材料,擴(kuò)大了超硬材料家族成員,是超硬材料研究領(lǐng)域的重要進(jìn)展。相關(guān)工作以“ Nanocrystalline cubic silicon carbide: A route to superhardness ”為題,發(fā)表于《 Small 》上。

本文要點(diǎn)

研究團(tuán)隊(duì)以 平均 晶粒尺寸 8 nm 的立方碳化硅納米粉為 原料 ,在 不同的溫度及壓力條件下開展 高溫高壓實(shí)驗(yàn),合成 一系列納米晶 結(jié)構(gòu)的 立方碳化硅塊材。 結(jié)構(gòu)分析表明合成塊材的顯微組織結(jié)構(gòu)受溫度與壓力條件調(diào)控,例如較高的合成壓力有利于抑制晶粒的生長(zhǎng)、較高的 合成溫度 有利于材料的致密化,進(jìn)而優(yōu)化了 納米晶立方碳化硅塊材 的合成條件 --- 25 GPa /1400 ℃ 。該條件下制備的 立方碳化硅塊材 高度致密,平均晶粒尺度約為 1 0 nm ,其顯微組織結(jié)構(gòu)見圖 1 。

1. 25 GPa/1400 ℃ 合成樣品的顯微結(jié)構(gòu)。 (a) 典型的 DF-STEM 圖像。 (b) 塊材中晶粒的晶體取向圖。 (c) 單個(gè)納米晶粒的 HAADF-STEM 圖像。紅線和雙箭頭分別標(biāo)記著 孿晶界及層錯(cuò) 。
 
力學(xué)性能表征顯示, 塊材的硬度與晶粒尺寸間滿足霍爾 - 佩奇關(guān)系,即隨著晶粒尺寸的減小 ,材料的 硬度增加 ( 2 ) 。 25 GPa /1400 ℃ 條件下制備的 塊材維氏硬度 達(dá) 41.5±0.5 GPa 顯著高于商用 碳化硅 材料的硬度 ( < 30 GPa) , 與單晶立方氮化硼相媲美,是一種新型超硬材料。 將立方碳化硅的硬度提高到超硬閾值之上是超硬材料研究的重要進(jìn)展。通過在其他硬質(zhì)材料 ( 例如 BP 、 B 4 C ) 中實(shí)施類似的納米結(jié)構(gòu)化策略,超硬材料家族有望迎來更多的新成員。

2.  立方碳化硅塊材的維氏硬度。  (a)  25 GPa/1400 ℃ 合成的塊材的硬度 - 載荷曲線。插圖為塊材光學(xué)照片 ( ) 3.92 N 載荷下塊材表面維氏壓痕 ( ) 的光學(xué)照片。 ( b ) 立方碳化硅塊材硬度與晶粒尺寸的關(guān)系圖。黑色虛線對(duì)應(yīng)著霍爾 - 佩奇關(guān)系。
 
原文鏈接
R. X. Sun, X. D. Wei, W. T. Hu, P. Ying, Y. J. Wu, L. Y. Wang, S. Chen, X. Zhang, M. D. Ma, D. L. Yu, L. Wang, G. Y. Gao, B. Xu, Y. J. Tian, Nanocrystalline Cubic Silicon Carbide: A Route to Superhardness. Small 2022, 2201212.
https://doi.org/10.1002/smll.202201212

作者簡(jiǎn)介

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高國(guó)英 教授,國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金 獲得者 。 2011 年在吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位 ,隨后 分別于美國(guó)康奈爾大學(xué)和和萊斯大學(xué)從事博士后研究。 主要 研究方向?yàn)閬喎€(wěn)材料 設(shè)計(jì)及合成, 設(shè)計(jì)出多種 高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的富氫超導(dǎo)體、 直接帶隙 半導(dǎo)體材料 、 高熱導(dǎo)材料 ,超硬材料,并成功制備出立方碳化硅 超硬材料等。在 P RL 、 PNAS J ACS 、 Smal l 、 Sci China Mater 等刊物發(fā)表論文 接近 70 篇, SCI 總引 20 00 余次。
徐波 教授,教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授 國(guó)家杰出青年科學(xué)基金 獲得者 。主要研究方向?yàn)閬喎€(wěn)材料設(shè)計(jì)與合成,在材料力學(xué)性能微觀模型構(gòu)建、新型亞穩(wěn)材料設(shè)計(jì)與合成等方面取得多項(xiàng)創(chuàng)新性成果:建立了多晶共價(jià)材料的硬度模型;在高性能超硬材料研究中取得系列突破,相繼合成出性能優(yōu)異的納米孿晶 cBN 塊材、納米孿晶金剛石塊材、納米孿晶金剛石復(fù)合材料等。

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