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交大团队探究纳米孪晶面金刚石超强硬度机制获新突破

http://www.momo35.com   来源:上海交大  日期:2016/11/08

  [编者按]一百多年来,交大人用知识和智慧创造累累硕果,谱写了近现代史上的诸多“第一”。这是人才培养的智慧、科学研究的智慧、服务社会的智慧、为国争光的智慧。新闻网特推出“交大智慧”专栏,聚焦交大人的智慧之光,展现交大人为国家发展和社会进步作出的重大贡献。
  
  材料硬度作为最直观的物理性质之一,一直是大家的研究热点。金刚石作为自然界中硬度最高的材料,是材料硬度研究领域的标杆,其维氏刻压强度可达到100GPa。寻找硬度超过金刚石的材料长期成为这领域内科研工作者的一个挑战目标,同时这类硬度极高的材料能被用作极端情况下的切削工具、钻头、产生极端高压的对顶砧等等,对于军事、科研、工业、民用都有很重要的意义。
  
  最近国内有研究小组通过在金刚石中引入纳米级别孪晶面,成功合成出了硬度超过晶体金刚石一倍的纳米孪晶面金刚石(nt-Dia)结构[Nature, 510, 250–253 (2014)]。该结果在引发人们热议的同时,也提出了很多挑战。nt-Dia中孪晶面平均厚度为5nm,这一颗粒尺寸使得材料处于反常Hall-Petch区域,作为纳米材料中被广泛验证的Hall-Petch效应认为,纳米材料尺寸存在一个阈值,阈值纳米尺寸对应的材料硬度最大,而处于反常Hall-Petch区域的材料硬度将会随纳米尺度减小而下降。很多人尝试对nt-Dia反常的硬度提升结果进行解释,包括使用分子动力学,传统剪切模型,计算弹性模量等等,但是都没有得到很好的效果。

  


  上海交通大学孙弘教授小组一直致力于使用第一性原理计算方法对于材料的硬度特性进行探究,对于过渡金属硼化物新型超硬材料,以及各类特殊性质超硬材料都开展过深刻的研究。通过分析实验发现,实验过程中使用硬度较小的金刚石压头去刻压硬度较大的nt-Dia,但是最终压头并没有损坏。基于这一观察,研究小组提出了最大正压力刻压模型,并使用该模型对nt-Dia进行了形变模拟,成功解释了处于反常Hall-Petch区域的nt-Dia材料硬度达到200GPa这一实验事实。计算发现孪晶面相对于一般晶界有着更低的界面能,在切向形变以及压头正压力的共同作用下,将会发生规律性移动,使得材料在形变过程中,通过相变以及“旋转”的方式,从硬度较低的结构转变到硬度很高的结构,提升材料的硬度。
  
  该项成果最近发表在Physical Review Letter 117, 116103 (2016)上。研究工作受到自然科学基金项目(11574197)和国家科技委项目(2016YFA0300500)的支持。
 
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