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立方氮化硼:开启“硬”时代
关注:71350  添加时间:2014/1/9

立方氮化硼:开启“硬”时代

来源:中国化工报

 

  超硬(指维氏硬度大于40GPa,大于80GPa则为极硬)工具在现代加工业中发挥着愈来愈重要的作用,提高超硬工具材料的硬度、韧性和稳定性一直是科学界和产业界的共同追求。
 

  金刚石硬度为60~100GPa,被誉为自然界中最硬的材料,但其抗氧化温度低(约600℃),且能与铁基材料反应,只能用于切割陶瓷类材料和铝、镁合金;立方氮化硼硬度次之,为30~43GPa,但抗氧化温度高(约1100℃),且不与铁基材料反应,因此在钢铁材料加工中应用广泛。然而,人工合成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。
 

  燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君教授带领的科研团队,在纳米孪晶结构极硬立方氮化硼课题中合成了硬度超过人工金刚石单晶的立方氮化硼材料,并有望开发出综合性能比金刚石更加优异的系列刀具,从而使人类步入“硬”时代。
 

  研究人员建立了多晶材料硬度的理论模型。他们认为,多晶共价材料的硬化机制除了众所熟知的霍尔—佩奇效应,还有量子限域效应的附加贡献,而后者完全可以补偿反霍尔—佩奇效应引起的软化,随着显微组织尺寸减小,多晶共价材料可以持续硬化却不发生软化。
 

  实验结果证实了这一论断。研究人员通过具有类似俄罗斯套娃晶体结构的洋葱氮化硼在高温高压下的马氏体相变合成出透明的纳米孪晶立方氮化硼。该材料硬度达到108GPa,超过人工金刚石单晶,韧性优于商用硬质合金,抗氧化温度高于立方氮化硼单晶本身。他们还发现纳米孪晶立方氮化硼随孪晶厚度减小能够持续硬化到3.8纳米,突破了传统认识中材料硬化约10纳米的尺寸下限值。此时,材料不仅没出现软化,反而持续硬化,材料韧性和抗氧化温度也同时得到了明显提高。
 

  该研究成果突破了人们对材料硬化机制的传统认识,为发展高性能超硬材料指明了方向。值得一提的是,如将其原理和技术用于合成纳米孪晶金刚石及其复合材料,将会产生综合性能更加优异的系列刀具材料,这将对石油和天然气采掘、机械加工、地质勘探等行业产生重要影响。
 

  2013年1月17日出版的《Nature》杂志刊登了上述研究成果,并在封面和目录页以“硬时代:现在立方氮化硼在其极硬态与金刚石相匹敌”为题对论文进行了形象而生动的导读,同时配发了合成样品的原图,指出“这个新材料能够打开广泛的工业应用”。左图为《Nature》刊登立方氮化硼研究成果。

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