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Small:新型超硬材料——納米晶立方碳化硅
發布時間: 2022-07-29 13:41 | 【 【打印】【關閉】

  超硬材料(HV > 40 GPa)具有優越的硬度、不可壓縮性和耐磨性,被廣泛使用于機械加工及高壓科學等領域?,F階段,超硬材料仍主要局限于金剛石和立方氮化硼,兩者早在上世紀50年代就已實現了人工合成。近期的研究表明,納米結構化是提升超硬材料硬度的有效途徑,例如納米晶金剛石、納米晶立方氮化硼等。能否將納米結構化策略應用于傳統的硬質材料(HV < 40 GPa),從而制備出異于金剛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戰之一。

  將納米結構化策略引入到碳化硅這一傳統的硬質材料,在高溫高壓條件下成功制備出納米晶結構的立方碳化硅致密塊材,塊材中平均晶粒尺寸低至10 nm。受益于這種獨特的顯微組織結構,塊材的維氏硬度相較于商用碳化硅大幅度提高,可媲美單晶立方氮化硼。該研究首次將立方碳化硅這一傳統硬質材料提升為超硬材料,擴大了超硬材料家族成員,是超硬材料研究領域的重要進展。

  研究團隊以平均晶粒尺寸為8 nm的立方碳化硅納米粉為原料,在不同的溫度及壓力條件下開展高溫高壓實驗,合成了一系列納米晶結構的立方碳化硅塊材。結構分析表明合成塊材的顯微組織結構受溫度與壓力條件調控,例如較高的合成壓力有利于抑制晶粒的生長、較高的合成溫度有利于材料的致密化,進而優化了納米晶立方碳化硅塊材的合成條件—25 GPa/1400 ℃。該條件下制備的立方碳化硅塊材高度致密,平均晶粒尺度約為10 nm,其顯微組織結構見圖1。

  圖1. 25 GPa/1400 ℃合成樣品的顯微結構。(a)典型的DF-STEM圖像。(b)塊材中晶粒的晶體取向圖。(c)單個納米晶粒的HAADF-STEM圖像。紅線和雙箭頭分別標記著孿晶界及層錯。

  力學性能表征顯示,塊材的硬度與晶粒尺寸間滿足霍爾-佩奇關系,即隨著晶粒尺寸的減小,材料的硬度增加(圖2)。25 GPa/1400 ℃條件下制備的塊材維氏硬度高達41.5±0.5 GPa,顯著高于商用碳化硅材料的硬度(< 30 GPa),與單晶立方氮化硼相媲美,是一種新型超硬材料。將立方碳化硅的硬度提高到超硬閾值之上是超硬材料研究的重要進展。通過在其他硬質材料(例如BP、B4C等)中實施類似的納米結構化策略,超硬材料家族有望迎來更多的新成員。

  論文信息:

  Nanocrystalline cubic silicon carbide: A route to superhardness

  Rongxin Sun, Xudong Wei, Wentao Hu, Pan Ying, Yingju Wu, Linyan Wang, Shuai Chen, Xiang Zhang, Mengdong Ma, Dongli Yu, Lin Wang, Guoying Gao*, Bo Xu*, Yongjun Tian

  Small   DOI: 10.1002/smll.202201212

  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202201212 

  文章來源: materialsviewschina 

  文章鏈接:https://www.materialsviewschina.com/2022/05/60032/

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