课题基金 / 基金详情

纳米孪晶B-C-N超硬材料的结构与性能研究

批准号:
52073245
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
何巨龙
依托单位:
学科分类:
新型材料制备技术与数字制造
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
何巨龙

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
纳米孪晶化高压合成技术为显著提高超硬材料的硬度、韧性和热稳定性三大关键性能指标开辟了一个新的途径。本项目拟采用化学法制备的B-C-N粉体为原料,经液体射流法处理后制备出洋葱结构B-C-N纳米粉。采用洋葱B-C-N为前驱物,用高温高压法合成出纳米孪晶结构B-C-N超硬块材。研究原料配比、合成温度、保护气氛和保温时间等可控制的参数对所获得的洋葱结构的B-C-N前驱物的粒度、成分和组织结构等粉体特征的影响规律。测定纳米孪晶B-C-N块材的硬度、压缩强度、断裂韧性和抗氧化温度等特性,研究洋葱B-C-N的成分、粒度以及温度、压力和保温时间等对纳米孪晶结构B-C-N块材结构和组织的影响。采用第一性原理计算方法与透射电镜测试分析相结合,确定出具有高硬度、高韧性B-C-N块材的组织结构特征,阐明B-C-N块材力学性能、抗氧化性能与其微观结构的关系,制备出系列新型B-C-N超硬材料。
英文摘要
The nano-twinning high pressure synthesis technology opens a new way to significantly improve the three key performance indexes of hardness, toughness and thermal stability of superhard materials. This project plans to use B-C-N powder prepared by chemical method as the raw material, and prepare onion B-C-N nanoparticles after being treated by liquid jet method. The novel nanotwinned B-C-N superhard material will be synthesized by high temperature and high pressure method using onion B-C-N as precursor. The effects of controllable parameters such as raw material ratio, synthesis temperature, protective atmosphere and holding time on the particle size, composition and structure of onion B-C-N precursor will be studied. The hardness, compressive strength, fracture toughness and oxidation temperature of nanotwinned B-C-N will be detected, and the effects of the composition, particle size, temperature, pressure and holding time of onion B-C-N on the structure of nanotwinned B-C-N materials will be investigated. The structure characteristics of bulk nanotwinned B-C-N with high hardness and high toughness will be determined by the combination of first-principles calculation method and transmission electron microscopy. The relationship between mechanical properties, antioxidant properties and microstructure of bulk nanotwinned B-C-N will be expounded. A series of novel bulk nanotwinned B-C-N superhard materials will be prepared.
本项目在B-C-N体系的晶体结构设计和纳米孪晶金刚石/cBN复合块材的高温高压合成方面的研究中取得重要进展:1)基于第一性原理计算方法,提出通过压缩碳/氮化硼纳米管阵列获得系列新型3D-BC2N结构,其中3D(6,6)-Ⅱ相的维氏硬度高达72GPa,3D(6,0)和3D(8,0)相具有直接带隙特征,3D(10,0)相为半金属特性;2)预测出六种能量亚稳的BC4N-x超硬晶体,通过构建石墨/hBN前驱体超晶格模型阐明其高压相变路径,理论模拟的X射线衍射谱与实验数据高度吻合;3)采用CALYPSO结构搜索程序,提出了具有优异硬度的基于B12二十面体的Cmc21-B13CN和Cmc21-B12CN,其中Cmc21-B13CN具有半导体特性,而Cmc21-B12CN是空穴导电,它们在拉伸过程中显示出二十面体逐级断裂的独特变形机制;4)研究了加压工艺对BC2N产物晶体结构的影响,为实验合成B-C-N提供了理论指导,并显示了变速加压技术在发现新材料方面的巨大潜力;5)采用洋葱碳包覆的六方氮化硼作为前驱体,在15GPa、2000℃的条件下,合成出具有优异综合性能的纳米孪晶金刚石/cBN复合块材。纳米孪晶金刚石/cBN复合块材的努氏硬度为85GPa,介于纳米多晶cBN和纳米多晶金刚石之间;断裂韧性为16.9MPa·m1/2,是单晶金刚石和单晶cBN的断裂韧性的数倍。同时,该复合材料还表现出优异的热稳定性,在空气中的氧化温度高达1022℃,高于金刚石单晶,与商用聚晶cBN的起始氧化温度相媲美,为合成综合性能更加优异的超硬材料提供了新的结构设计思路。.本项目发表资助号标注的学术论文8篇,获授权国家发明专利2项;培养博士后1人;培养博士研究生7人,其中毕业5人;培养硕士研究生3人。
纳米孪晶结构超硬B4C陶瓷的研究
  • 批准号:
    51772259
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    何巨龙
  • 依托单位:
极硬纳米孪晶氮化硼的高压合成及其性能研究
  • 批准号:
    51472213
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    85.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    何巨龙
  • 依托单位:
碳、硅和锗同素异构体的理论研究与高压合成
  • 批准号:
    51272227
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    何巨龙
  • 依托单位:
新型亚稳过渡金属硼化物的设计与高压合成
  • 批准号:
    51072176
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    37.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    何巨龙
  • 依托单位:
国内基金
海外基金