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| 上海交大為人工合成超金剛石硬度的納米材料提供新思路 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2014-10-17 09:43:20 瀏覽次數： |
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nt-cBN孿晶面上原子鍵在維氏刻痕切向形變下的重組過(guò)程
nt-cBN在拉伸、單純切變和維氏刻痕切變過(guò)程中材料強度的變化
（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）近日，上海交通大學(xué)物理與天文系孫弘教授的研究小組在國際著(zhù)名雜志《自然》的子刊《自然通訊》上發(fā)表了題為“Large indentation strain stiffening in nanotwinned cubic boron nitride”的論文【Nature Communications 5, 4965 (2014)】，為人工合成超金剛石硬度的納米材料提供了新思路。
金剛石是世界上已知最堅硬的材料，其實(shí)驗Vickers硬度達到約100GPa。然而，去年國內研究小組在Nature雜志發(fā)表文章，報道新合成了比金剛石更堅硬的納米結構材料。這種新材料的實(shí)驗Vickers硬度達到了108GPa。該材料是在普通的立方硼氮體材料中引入相距為幾納米的孿晶面而形成的納米孿晶立方硼氮(nt-cBN)，其實(shí)驗維氏硬度比單晶立方硼氮的實(shí)驗維氏硬度(60GPa左右)高了近一倍。人們一直都認為，材料中的孿晶面類(lèi)似于一般的晶界面，能阻礙位錯等缺陷的運動(dòng)，從而增強材料的強度或硬度(Hall-Petch效應)。但當晶界面之間的間距小于某臨界值(十至幾十納米)，晶界面本身的運動(dòng)會(huì )造成材料強度或硬度的減弱(反常Hall-Petch效應)。而nt-cBN的孿晶界面間距遠小于臨界距離，不但沒(méi)有出現反常Hall-Petch效應，nt-cBN的硬度反而成倍增強，這一實(shí)驗結果一度令國內外同行十分困惑，并產(chǎn)生極大興趣。人們開(kāi)始研究間距極小孿晶面對材料強度影響的物理機理。
材料有著(zhù)各種不同的晶面與方向，沿著(zhù)不同的方向具有不同抗形變能力，而材料的硬度遵循著(zhù)木桶原理，即抗形變能力最低的方向，往往決定著(zhù)材料的硬度。孫弘研究小組長(cháng)期從事超硬材料的第一性原理計算研究，利用第一性原理計算方法建立了一套精確預測材料維氏強度的計算軟件。該軟件能很好地解釋了金剛石、立方硼氮、FeB4、CrB4，以及BC2N等材料的實(shí)驗維氏硬度。根據長(cháng)期的研究，他們發(fā)現單晶立方硼氮決定材料硬度的最弱方向強度為62Ga，而其相反方向則是材料的最強方向，其強度為130GPa。在此基礎上，他們的深入研究表明，由于孿晶面的能量比單晶結構能量略高，當引入了孿晶面，導致原子鍵形變往往會(huì )累積到孿晶面附近，隨著(zhù)形變增大最終使得孿晶面上的原子鍵重新組合成新的原子鍵，使得材料中原來(lái)的弱鍵方向轉化為強鍵方向，最終出現nt-cBN材料中原來(lái)弱鍵方向的強度都達到了130GPa，從而大幅提高了材料的強度或硬度。這種強度增強的效應非常類(lèi)似橡皮筋的拉伸過(guò)程，剛開(kāi)始拉伸時(shí)橡皮筋很軟，隨著(zhù)拉伸形變增大，橡皮筋會(huì )變得越來(lái)越強(strain stiffening效應)。
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