燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學國家重點實驗室田永君教授領(lǐng)導的研究組在國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體、重點項目、面上項目以及科技部973項目的持續(xù)資助下，與國內(nèi)外科學家合作，在多晶超硬材料合成技術(shù)和超硬材料硬化機理研究方面取得突破性進展。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，提出了材料硬化新機制。其研究成果發(fā)表在2013年1月17日最新一期的Nature雜志上。

　　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)中已得到了廣泛應(yīng)用。令人遺憾的是，人工合成立方氮化硼單晶的硬度還不到金剛石單晶硬度的一半。根據(jù)著名的Hall-Petch關(guān)系，多晶材料的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其硬度的有效手段。利用類石墨結(jié)構(gòu)氮化硼前驅(qū)物在高溫高壓下的馬氏體相變，科學家們已合成出納米晶立方氮化硼，所能達到的最小晶粒尺寸為14nm。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，在高壓下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3.8nm。這種材料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能：維氏硬度108GPa達到甚至超過人工合成的金剛石單晶，斷裂韌性12.7MPa?m0.5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。

　　大量的實驗結(jié)果和分子動力學模擬均已證明：在臨界尺寸（10-15nm）以上，金屬及合金材料的硬度和強度隨晶粒尺寸減小而增大（Hall-Petch效應(yīng)）；在臨界尺寸以下，強度和硬度卻隨晶粒尺寸減小而減?。ǚ碒all-Petch效應(yīng)）。關(guān)于多晶極性共價材料的硬度，最近田永君小組提出了一個理論模型（Int.J.Refract.Met.Hard.Mater.33(2012),93-106），該模型預(yù)言：在納米尺度，硬化機制除了Hall-Petch效應(yīng)的貢獻還應(yīng)有量子限域效應(yīng)的附加貢獻?，F(xiàn)在的實驗結(jié)果表明，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3.8nm卻不發(fā)生軟化，證實了多晶共價材料硬化機制中量子限域效應(yīng)的存在。研究成果突破了人們對材料硬化機制的傳統(tǒng)認識，給出了一種合成高性能超硬材料的全新途徑。