日前，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬琰銘教授、美國(guó)芝加哥大學(xué)王雁賓教授和河北工業(yè)大學(xué)唐成春教授等科學(xué)家合作，在多晶超硬材料合成技術(shù)和超硬材料硬化機(jī)理研究方面取得突破性進(jìn)展。利用高溫高壓技術(shù)成功地合成出超高硬度的納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼塊材，該研究成果發(fā)表在2013年1月17日最新一期的《自然》(Nature)雜志上(DOI:10.1038/nature11728)。

　　立方氮化硼是一種重要的超硬材料，在鐵基材料加工行業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。遺憾的是人工合成立方氮化硼單晶的硬度還不到金剛石單晶的一半。根據(jù)著名的霍爾-佩奇(Hall-Petch)關(guān)系，多晶材料硬度隨晶粒尺寸減小而增大。因此，合成納米結(jié)構(gòu)立方氮化硼已成為提高硬度的有效手段。利用類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)氮化硼前驅(qū)物在高溫高壓下的馬氏體相變，科學(xué)家們已合成出納米晶立方氮化硼，所能達(dá)到的最小晶粒尺寸為14 nm。田永君及其合作者采用一種具有特殊結(jié)構(gòu)的洋蔥氮化硼為前驅(qū)物成功地合成出透明的納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼，孿晶的平均厚度僅為3.8 nm，其硬度達(dá)到甚至超過(guò)人工合成的金剛石單晶，斷裂韌性高于商用硬質(zhì)合金，抗氧化溫度高于立方氮化硼單晶本身。這些優(yōu)異的綜合性能表明納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼是一種工業(yè)界期盼已久的刀具材料。

　　業(yè)已證明：在臨界尺寸(約10-15 nm)以上，金屬及合金材料的硬度和強(qiáng)度隨晶粒尺寸減小而增大(霍爾-佩奇效應(yīng))，但在臨界尺寸以下，強(qiáng)度和硬度卻隨晶粒尺寸減小而減小(反霍爾-佩奇效應(yīng))。令人驚奇的是，納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼隨孿晶厚度減小能夠持續(xù)硬化到3.8 nm卻不發(fā)生軟化。他們的理論分析表明：在納米尺度邊，多晶極性共價(jià)材料的硬化機(jī)制除了大家熟知的Hall-Petch效應(yīng)還有量子限域效應(yīng)的附加貢獻(xiàn)。研究成果突破了人們對(duì)材料硬化機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，向人們展現(xiàn)了合成高性能超硬材料的新途徑——獲得超細(xì)納米孿晶結(jié)構(gòu)。