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超硬材料 知多少

超硬材料 知多少. 程曦月 材料加工模拟研究部. 硬，是什么概念. 指甲. 玻璃. 钻石. 铜币. 钢刀. 牙齿. 莫氏 硬度. 2.5. 3.5-4. 5.5. 6.5. 7-8. 10. 利用 矿物 的相对刻划硬度划分矿物硬度 由德国矿物学家 Frederich Mohs 于 1812 年提出. 工业上用什么来表达 硬度 ？. 硬度试验的分类. 硬度. 四棱锥压头. 莫氏硬度. 压痕. 布氏硬度. 样品. 举例说明. 维氏硬度试验. 压痕测量图解. 维氏硬度. 压入硬度. 努氏硬度. 硬度. 压头形状不同

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Presentation Transcript

  1. 超硬材料知多少 程曦月 材料加工模拟研究部

  2. 硬，是什么概念 指甲 玻璃 钻石 铜币 钢刀 牙齿 莫氏 硬度 2.5 3.5-4 5.5 6.5 7-8 10 • 利用矿物的相对刻划硬度划分矿物硬度 • 由德国矿物学家FrederichMohs于1812年提出 工业上用什么来表达硬度？

  3. 硬度试验的分类 硬度 四棱锥压头 莫氏硬度 压痕 布氏硬度 样品 举例说明 维氏硬度试验 压痕测量图解 维氏硬度 压入硬度 努氏硬度 硬度 压头形状不同 各有适用范围 洛氏硬度 肖氏硬度 回弹硬度 巴氏硬度 ... ...

  4. 超硬，又是什么 [定义] 材料维氏硬度 大于40 GPa Hv>40 GPa （钢的10-20倍） 车床刀具 [应用] 球磨坩埚 加工硬质材料 为何开发？ 现代工业发展的日新月异 硬、韧材料不断推出 • 磨削材料 (Al2O3, SiN) • 刀具材料(硬质合金，高速钢) 需要加工 用什么加工？ 特殊性能(光、电、热) • 功能材料 (超硬涂层) 超硬材料 没有最硬，只有更硬

  5. 自然界最硬的材料：金刚石 哪些是超硬呢？ 应用 • 工业：钻探探头，磨削工具 • 宝石：物以稀为贵 结构：为何硬 • 碳元素构成三维共价键 • 结构高度对称性 英约瑟夫大公钻(76.02克拉) 1.34亿!!，世界纪录 来源 • 人工合成/天然开采 • (高温高压，化学气相沉积) 传说中的血钻… 《血钻》海报 5-10 GPa 1100-3000 ℃ 固态或熔融石墨 微米尺寸 多晶粉末金刚石

  6. 碳能形成的超硬材料 高压(70 GPa) 石墨 硬度：109 GPa [1] 高压合成的超硬材料 石墨 高压(70 GPa)碳纳米管 硬度：119 GPa [1] 金刚石 自然界存在的同素异构体 富勒烯 C60 高压(37 GPa)富勒烯(C60) 纳米尺度 硬度：310 GPa [2,3] [1] Z.W. Wang et al., PNAS. U.S.A. 101,13699 (2004). [2] V. Blank et al., Diam. Relat. Mater. 7, 427 (1998). [3] Wiki, https://zh.wikipedia.org/wiki/File:C60_SEM.jpg

  7. 轻元素的排列组合 超硬材料除了碳还有什么？ 硼 碳 氮 氧 高压 B+N；B+C；B+O；B+C+N+O 形成化合物 硬度：~60-80GPa c-BN BC2N; B6O+B4C B6O B13C2 ;B12C3 ;BC5 目前工业广泛使用 为什么？ 不胜枚举……

  8. c-BN的制备 立方氮化硼(c-BN) 18 GPa 1730-3230 ℃ 砂轮 六方氮化硼 立方氮化硼 c-BN 的优点 • 与铁、镍不可溶 • 广泛地应用于 • 黑色金属加工 • 而金刚石则会发生 • 反应而迅速磨损 • 高的硬度 • 高的热稳性 • 高的化学惰性 • 良好的透红外性 • 较宽的禁带宽度(透明) 刀具 刀具 (与菜刀是不同的刀) 零件

  9. 目前为止，我们压过： 石墨 碳纳米管 富勒烯 六方-BN；立方-BN … … 都得到了更硬的材料 不禁让人联想 能高压金刚石吗？

  10. 压力的分类 事实上高压是如何实现的？ 电磁辐射 • 低压 0.1 MPa(大气压)～1.6 MPa 金刚石 红宝石 样品 后垫片 • 中压 螺钉 1.6 MPa～10 MPa 垫圈 • 高压 • 超高压 10 MPa ～100 MPa 100 MPa以上 • 实验室一般采用 • 金刚石对顶砧[1] • (Diamond Anvil Cell) • 可实现300 GPa超高压 • 所以，制备超硬材料使用的压力都属于超高压 如何实现？ • 所以高压金刚石后得到什么还尚不清楚。 [1] Wiki: http://en.wikipedia.org/wiki/Diamond_anvil_cell

  11. 2个新方向 目前超硬材料研究的新方向 [1. 做到纳米尺度] • Hall-Petch 关系： • 多晶材料硬度随晶粒尺寸减小而增大“越小越强”； • 可大幅提升硬度 • >>100 GPa，大幅提升硬度 • 纳米孪晶c-BN 纳米尺度 [2. 寻找新的超硬组合] • ~70-100 GPa • 金刚石；高压同素异构 • 过渡族金属+轻元素 • 高密度价电子 • 三维共价键 • 超低位错延展性 • 可常压合成 碳 • ~60-80 GPa • B-C-N-O 体系；c-BN，B6O… 轻元素 新体系 • ~40-60 GPa，常压合成 • ReB2, CrB4, WB3+x 超硬 40 GPa

  12. [1. 做到纳米尺度]

  13. 纳米孪晶立方氮化硼(c-BN) • 在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100 nm) • 具有与宏观物质所迥异的效应 纳米 + • 两个晶体（或一个晶体的两部分）沿特定取向关系构成镜面对称的位向关系 孪晶[1] + 立方氮化硼 (本征硬度60 GPa左右) = 超硬纳米孪晶c-BN [2] • 1800℃高温下压缩c-BN至15 GPa • 得到孪晶的平均厚度仅3.8 nm • 硬度108 GPa>人工金刚石(70-100 GPa) [1] Lu et al. SCIENCE, 304,422 (2004) [2] Tian et al. NATURE, 493, 385 (2013)

  14. [2. 寻找新的超硬组合]

  15. 新的体系 轻元素 可能的超硬组合 （硬度~40 GPa） 过渡族金属 高密度价电子 三维共价键 寻找 为什么能够如此 寻找超硬材料？ • 即：过渡族金属的碳化物，氮化物，硼化物 • OsC，OsN2，IrN2, CrB4… • 常压高温熔炼合成的超硬材料易于工业量产 因为该类材料硬度能被 理论预测

  16. 利用材料的体弹模量B 与剪切模量G可以得到其硬度 硬度如何预测？ 硬度与什么有关 • 本征属性：体弹模量B 与剪切模量G • 测量条件：硬度实验方法，压头形状，环境…… Hv = 2(k2G)0.585-3 可靠的硬度模型[1] • 这是一个经验模型 • 左边：多晶材料理论维氏硬度 • 右边：拟合系数与参数,其中k = G /B [1] Chen et al, Intermetallics,19,1275 (2011)

  17. 图解硬度模型 硬度模型的应用 • 该硬度模型归一化已知的所有 • 超硬材料硬度 • 成为寻找新型超硬材料的有力工具 • 并预测新体系超硬材料CrB4[1]的 • 硬度为48.1 GPa 更多种类的超硬材料亟待发现 [1] Niu et al, PRB 85, 144116 (2012)

  18. 超硬材料知多少？ 有关超硬材料的话题 • 什么是超硬材料 • 为什么需要这类材料 • 有哪些种类的超硬材料 • 如何制备 • 目前研发的新方向 超硬材料的开发 永无止境！

  19. 谢谢！ 本科普PPT所用图片均来自 网络及相关文献，经作者加 工，整理而成。

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