超硬透明多晶立方氮化硼材料--仅次于金刚石硬度的透明材料

近日，四川大学高压科学与技术实验室与地球物理研究室联合研制出硬度高达69 GPa的透明纳米多晶氮化硼块体材料（PcBN），成为仅次于金刚石的第二大透明超硬材料。
超硬透明材料在工业、能源、航天和国防工程中的应用中非常广泛且重要，目前主要使用金刚石、Al₂O₃和c-Si₃N₄等材料。其中，金刚石的硬度最高（>80 GPa），但是其高昂的造价限制使用范围。其他透明材料的硬度最高仅达34 GPa，较低的硬度也限制了其在某些极端条件下的应用。我所寇自立、张友君以及赵梦溪等利用四川大学铰链式六面顶压机在高温高压条件下成功合成了透明纳米多晶立方氮化硼块体材料（见下图）。作者通过将市售立方氮化硼粉末在约14 GPa和1700-1800℃条件下进行高温高压烧结，获得了平均晶粒约为200 nm的透明立方氮化硼块体，其直径约为3 mm，厚度约为2 mm。烧结的样品在具有较好的透光性的同时（400-1500 nm波长下具有约70％的透射率）还具备非常好的力学性能，其硬度达到约69 GPa，断裂韧性为11-14 MPa·m^1/2。
作者认为该材料透明的主要原因是高压使PcBN形成了非常薄的晶界，约2 nm。另外，高温高压下引起的晶粒细化以及晶粒内部发生的塑性形变形成的微观缺陷使透明PcBN材料的硬度得到了强化。由此，作者对描述材料硬度与晶粒尺寸的霍尔佩奇公式进行了额外修正，

式中前两项为众所周知的霍尔佩奇公式，H₁表示缺陷结构对硬度的影响修正。
该项研究为超硬透明陶瓷的合成提供了证据，同时为极端条件下提供了更加经济的透明窗口材料。该项研究于2021年4月12日发表在国际著名应用物理期刊《Applied Physics Letters》，即《应用物理快报》。研究生赵梦溪为论文第一作者；寇自立研究员和张友君副研究员为论文通讯作者；四川大学原子与分子物理研究所为唯一研究单位。期刊审稿人认为此项研究意义重大并且材料的合成方法有效且可信：“The materials and methodology performed are throughout and well-structured”，“This method is useful and promising”。该研究得到了国家自然科学基金和四川大学双一流建设经费的支持。 
全文链接：Mengxi Zhao, Zili Kou∗, Youjun Zhang∗, Bo Peng, Yipeng Wang, Zhiwei Wang, Xiaoshuang Yin, Mingli Jiang, Shixue Guan, Jiawei Zhang, Duanwei He. Superhard transparent polycrystalline cubic boron nitride. Applied Physics Letters, 118, 151901, 2021, DOI: 10.1063/5.0045545
网址：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0045545

图.（a）样品在大压机中的组装图；（b）14 GPa/1700 ℃条件下合成的样品TEM图,右上角为晶粒尺寸统计图，平均约200nm；（c）14 GPa下不同温度样品的光学图片及在波长为350nm-1500nm透过率测试结果：（d）PcBN的维氏硬度与平均晶粒尺寸的函数关系图。红色圆代表刘腾等人合成的PcBN，实心蓝色倒三角形代表Dubrovinskaia等人合成的PcBN。实心灰色三角形表示Solozhenko等人合成的PcBN。蓝色和灰色线表示霍尔-佩奇效应引起的维氏硬度与晶粒尺寸的函数关系。实心红色圆圈表示本研究中测得的PcBN硬度。红线代表PcBN的拟合硬度与晶粒尺寸的关系。该关系同时考虑了霍尔-佩奇效应和微缺陷结构的影响。