燕山大学田永君院士课题组高国英教授、徐波教授《Small》：新型超硬材料 - 纳米晶立方碳化硅

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超硬材料(H_V > 40 GPa)具有优越的硬度、不可压缩性和耐磨性，被广泛使用于机械加工及高压科学等领域。现阶段，超硬材料仍主要局限于金刚石和立方氮化硼，两者早在上世纪50年代就已实现了人工合成。近期的研究表明，纳米结构化是提升超硬材料硬度的有效途径，例如纳米晶金刚石、纳米晶立方氮化硼等。能否将纳米结构化策略应用于传统的硬质材料(H_V < 40 GPa)，从而制备出异于金刚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战之一。

燕山大学田永君院士课题组高国英、徐波教授等将纳米结构化策略引入到碳化硅这一传统的硬质材料，在高温高压条件下成功制备出纳米晶结构的立方碳化硅致密块材，块材中平均晶粒尺寸低至10 nm。受益于这种独特的显微组织结构，块材的维氏硬度相较于商用碳化硅大幅度提高，可媲美单晶立方氮化硼。该研究首次将立方碳化硅这一传统硬质材料提升为超硬材料，扩大了超硬材料家族成员，是超硬材料研究领域的重要进展。相关工作以“Nanocrystalline cubic silicon carbide: A route to superhardness”为题，发表于《Small》上。

本文要点

研究团队以平均晶粒尺寸为8 nm的立方碳化硅纳米粉为原料，在不同的温度及压力条件下开展高温高压实验，合成了一系列纳米晶结构的立方碳化硅块材。结构分析表明合成块材的显微组织结构受温度与压力条件调控，例如较高的合成压力有利于抑制晶粒的生长、较高的合成温度有利于材料的致密化，进而优化了纳米晶立方碳化硅块材的合成条件---25 GPa/1400 ℃。该条件下制备的立方碳化硅块材高度致密，平均晶粒尺度约为10 nm，其显微组织结构见图1。

图1. 25 GPa/1400 ℃合成样品的显微结构。(a)典型的DF-STEM图像。(b)块材中晶粒的晶体取向图。(c)单个纳米晶粒的HAADF-STEM图像。红线和双箭头分别标记着孪晶界及层错。 力学性能表征显示，块材的硬度与晶粒尺寸间满足霍尔-佩奇关系，即随着晶粒尺寸的减小，材料的硬度增加(图2)。25 GPa/1400 ℃条件下制备的块材维氏硬度高达41.5±0.5 GPa，显著高于商用碳化硅材料的硬度(< 30 GPa)，与单晶立方氮化硼相媲美，是一种新型超硬材料。将立方碳化硅的硬度提高到超硬阈值之上是超硬材料研究的重要进展。通过在其他硬质材料(例如BP、B₄C等)中实施类似的纳米结构化策略，超硬材料家族有望迎来更多的新成员。

图2. 立方碳化硅块材的维氏硬度。 (a) 在25 GPa/1400 ℃合成的块材的硬度-载荷曲线。插图为块材光学照片(上)和3.92 N载荷下块材表面维氏压痕(下)的光学照片。(b)立方碳化硅块材硬度与晶粒尺寸的关系图。黑色虚线对应着霍尔-佩奇关系。 原文链接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

作者简介

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高国英教授，国家优秀青年科学基金获得者。2011年在吉林大学获得博士学位，随后分别于美国康奈尔大学和和莱斯大学从事博士后研究。主要研究方向为亚稳材料的设计及合成，设计出多种高超导转变温度的富氢超导体、直接带隙半导体材料、高热导材料，超硬材料，并成功制备出立方碳化硅超硬材料等。在PRL、PNAS、JACS、Small、Sci China Mater等刊物发表论文接近70篇，SCI总引2000余次。
徐波教授，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向为亚稳材料设计与合成，在材料力学性能微观模型构建、新型亚稳材料设计与合成等方面取得多项创新性成果：建立了多晶共价材料的硬度模型；在高性能超硬材料研究中取得系列突破，相继合成出性能优异的纳米孪晶cBN块材、纳米孪晶金刚石块材、纳米孪晶金刚石复合材料等。

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