【新聞中心訊】燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學國家重點實驗室田永君教授領(lǐng)導的研究小組與吉林大學超硬材料國家重點實驗室馬琰銘教授、美國芝加哥大學王雁賓教授和河北工業(yè)大學唐成春教授等科學家合作，在多晶超硬材料合成技術(shù)和超硬材料硬化機理研究方面取得突破性進展。利用高溫高壓技術(shù)成功地合成出超高硬度的納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼塊材，該研究成果發(fā)表在2013年1月17日最新一期的《自然》（Nature）雜志上（DOI: 10.1038/nature11728）。

圖為合成樣品中一個納米晶粒的透射電鏡明場像，晶粒內(nèi)部形成了薄片狀的納米孿晶

立方氮化硼是一種重要的超硬材料，在鐵基材料加工行業(yè)中獲得了廣泛應用。遺憾的是人工合成立方氮化硼單晶的硬度還不到金剛石單晶的一半。根據(jù)著名的霍爾-佩奇（Hall-Petch）關(guān)系，多晶材料硬度隨晶粒尺寸減小而增大。因此，合成納米結(jié)構(gòu)立方氮化硼已成為提高硬度的有效手段。利用類石墨結(jié)構(gòu)氮化硼前驅(qū)物在高溫高壓下的馬氏體相變，科學家們已合成出納米晶立方氮化硼，所能達到的最小晶粒尺寸為14 nm。田永君及其合作者采用一種具有特殊結(jié)構(gòu)的洋蔥氮化硼為前驅(qū)物成功地合成出透明的納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼，孿晶的平均厚度僅為3.8 nm，其硬度達到甚至超過人工合成的金剛石單晶，斷裂韌性高于商用硬質(zhì)合金，抗氧化溫度高于立方氮化硼單晶本身。這些優(yōu)異的綜合性能表明納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼是一種工業(yè)界期盼已久的刀具材料。
業(yè)已證明：在臨界尺寸（約10-15 nm）以上，金屬及合金材料的硬度和強度隨晶粒尺寸減小而增大（霍爾-佩奇效應），但在臨界尺寸以下，強度和硬度卻隨晶粒尺寸減小而減小（反霍爾-佩奇效應）。令人驚奇的是，納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼隨孿晶厚度減小能夠持續(xù)硬化到3.8 nm卻不發(fā)生軟化。他們的理論分析表明：在納米尺度邊，多晶極性共價材料的硬化機制除了大家熟知的Hall-Petch效應還有量子限域效應的附加貢獻。研究成果突破了人們對材料硬化機制的傳統(tǒng)認識，向人們展現(xiàn)了合成高性能超硬材料的新途徑——獲得超細納米孿晶結(jié)構(gòu)。（編輯 姜文超 艾冬梅）