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超硬材料号称工业的牙齿

发布时间:2021-04-15 11:21编辑:小狐阅读: 506次 手机阅读

超硬材料号称“工业的牙齿”因其高硬度、高强度和耐腐蚀等优异性能而广泛应用于刀刃钻具、航空、海洋、核能等诸多极端环境领域。金刚石是目前公认的最硬材料,虽有高硬度,但其热与化学稳定性差(在高温下易于石墨化、易同氧与铁等元素发生化学反应)价格昂贵(需要高温高压合成)碳化钨能克服金刚石的这些固有缺点,在高速切割刀具方面被大量使用,但其硬度偏低。

超硬材料号称工业的牙齿(图1)

东华大学理学院梁拥成教授、功能材料研究中心张教授团队与南方科技大学等相关团队合作提出利用价电子成键轨道优化填充能有效提升碳化物硬度的设计方法,成功制备出W1−xRexC(x=0.1~0.3)固溶体材料,纳米压痕与维氏硬度测量证实它们的硬度远高于碳化钨,成为迄今最硬的过渡金属碳化物材料,并揭示其高硬度的内在物理机制。相关成果以《通过成键轨道优化占据来提升过渡金属单碳化物的硬度》Enhanced Hardness in Transition Metal Monocarbides via Optimal Occupancy of Bonding Orbitals)为题,发表在国际期刊《美国化学会应用材料与界面》ACS Applied Materials & Interfaces)上。

超硬材料号称工业的牙齿(图2)

此外,我校梁拥成教授、张教授团队与南方科技大学、江苏大学、上海大学、武汉大学、美国纽约州立大学(State University of New York)等单位科研人员合作,对过渡金属化合物材料的新奇物性等方面进行研究:

1发现过渡金属单硼化物在价电子浓度为8个电子/分子时,它们呈现最高硬度,解释了实验观测W0.5Ta0.5B的超高硬度,阐明了这类材料体系反常纳尺度硬化的独特机制,开辟了设计多功能材料的新方法。

2发现一种全新的立方碳化铼,它同构于氧化铌结构,这个新相能从立方氯化钠结构中有规律去掉四分之一的金属与非金属原子而获得有序空位结构。这种空位有序不仅恢复了碳化铼的稳定性,而且诱使其反常高硬度特性。

3鉴别四方tI26结构是ScB12的热力学基态,是YB12、ZrB12与HfB12的亚稳定态;而立方cF52结构是ScB12的亚稳定态,是YB12、ZrB12与HfB12的热力学基态。发现这两种构型的独特性引起了金属十二硼化物的多重功能性即高硬度、低密度、优良电导特性共存进而揭示了它们稳定性与功能性的电子起源。这些结果不仅有效解决了金属十二硼化物长期的结构争议,而且为它们多功能性了深入理解。

4发现无机半导体Ag2S在压力分别为7.5GPa与16GPa附近发生两个对称性不变的结构相变,细致分析发现第一个结构相变是由于Ag-S皱褶层在压力作用下突然失稳造成,伴随着这个相变,体变模量随压力增加而增大,但剪切模量与硬度急剧降低,导致其Pugh模量急剧增加,即塑性增加,这种压力诱使的高塑性也存在于Au2S与Cu2S中;第二个结构相变是由于压力驱使Ag2S从常规半导体向拓扑金属的电子相变而引起的。这些结果不仅揭示了这类无机半导体超高塑性的内在机制,而且发现了一种独特的拓扑金属。

相关研究成果近年来陆续发表在国际期刊Nanoscale,Materials Today Physics,Chemistry of Materials和Physical Review B (Rapid Communications)上,东华大学作为第一单位,理学院梁拥成教授作为第一兼通讯。以上研究工作得到了中央高校基本科研基金(交叉学科重点、自由申请项目)国家自然科学基金(重点项目、面上项目)上海市自然科学基金等项目资助。

本文相关词条概念解析:

材料

原料即材料,是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质的统称。材料是物质,有时人们又称原材料,但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物,一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格,如炸药、固体火箭推进剂,一般称之为“含能材料”,因为它属于火炮或火箭的组成部分。这是人们进行物质生产或者生活必备的物质条件和基础。

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