上海纳米结构超硬材料的机遇与挑战

纳米晶和微米晶Ni的表观应力随压力和温度的变化曲线[27]；(b)加载和卸载过程中纳米晶和微米晶Ni的归一化表观应变随压力的变化曲线[28]；(c)金刚石—纳米SiC复合超硬材料的断裂韧性随SiC晶粒大小的关系[30]

在近期的一系列研究中，通过将纳米晶或特殊纳米微结构(如纳米孪晶)引入金刚石和cBN中，获得了纳米聚晶金刚石(NPD)、纳米聚晶立方氮化硼(NPcBN)、纳米孪晶金刚石(nt-D)和纳米孪晶立方氮化硼(nt-cBN)，其硬度和韧性都可以达到单晶的2倍以上，热稳定性也可以得到较为明显的提高。从结构上看，纳米孪晶界对相邻晶粒滑移面上的位错运动也有较大的阻碍作用，其强化也符合Hall—Petch关系，当晶界片层厚度减小至纳米尺度时，强度可以得到极大的提升；同时，位错也可沿着孪晶界进行滑移，可改善材料的塑性，为提高材料的韧性提供了理论支撑(图4(a))。同时，相比传统晶界，孪晶中的共格晶界的晶格失配能和晶界化学势都较小，因此引入纳米孪晶将提高超硬材料的热稳定性，为制备热稳定性更高的纳米超硬材料提供了有效途径[14，20，31，32]。在实验上，以不同结构与形态的石墨和六方氮化硼(hBN)为前驱体材料(如碳纳米管、非晶石墨等)，通过高压高温转化实验，人们已成功制备出了具有不同纳米微结构的超硬材料。特别是以洋葱状石墨或hBN为前驱体(图4(b)，4(c))，可以获得具有极高密度的纳米孪晶超硬材料，为提升超硬聚晶材料的力学与热稳定性能提供了解决方案。