超硬纳米孪晶结构块材问世 其硬度超人工金刚石单晶

近日，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室教授田永君领导的研究小组与多家科研机构合作，利用高温高压技术成功合成出超高硬度的纳米孪晶结构立方氮化硼块材。相关研究成果发表于最新一期的《自然》杂志。

据介绍，立方氮化硼是一种重要的超硬材料，在铁基材料加工行业中获得了广泛应用。但令人遗憾的是，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。而材料学中的霍尔—佩奇（Hall-Petch）关系显示，多晶材料硬度随晶粒尺寸减小而增大。因此，合成纳米结构立方氮化硼已成为提高硬度的有效手段。

此前，利用类石墨结构氮化硼前驱物在高温高压下的马氏体相变，科学家们已合成出最小晶粒尺寸为14纳米的纳米晶立方氮化硼。

田永君及其合作者——吉林大学超硬材料国家重点实验室教授马琰铭、美国芝加哥大学教授王雁宾和河北工业大学教授唐成春等人在最新实验中，用一种具有特殊结构的洋葱氮化硼为前驱物，成功地合成出透明的纳米孪晶结构立方氮化硼。实验结果显示，该物质孪晶的平均厚度仅为3.8纳米，硬度达到甚至超过人工合成的金刚石单晶，断裂韧性高于商用硬质合金，抗氧化温度高于立方氮化硼单晶本身。这些优异的综合性能表明纳米孪晶结构立方氮化硼将成为一种工业界期盼已久的刀具材料。

业内专家认为，该研究成果突破了人们对材料硬化机制的传统认识，向人们展现了合成高性能超硬材料的新途径——获得超细纳米孪晶结构。