超硬和高能量密度等功能材料的高压结构设计

发布时间：2021-09-01 05:43

　　压强是独立于温度和化学组分之外的第三个变量,可以有效地调控材料的物理化学特性。施加压力可以直接改变凝聚态物质中的原子距离,影响其近邻原子外层电子间的相互作用,改变电子云分布,进而改变物质结构和电子态,形成许多具有新奇物理和化学性质的高压相。同时,压强可以降低物质间某些化学反应的反应势垒,使得更多的新物质能够在高压的极端条件下合成。部分物质甚至在卸压到常压时仍能保持动力学的稳定性,成为一种亚稳态结构。这为合成新型材料提供了一个重要的手段。这些高压相和新物质是我们找寻超硬、高能量密度材料和超导等具有优越性能的新型功能材料的源泉。超硬材料可作为切削、打磨材料、抗磨损涂层和勘探钻头,高能量密度材料（HEDMs）主要用来制作高能炸药和发射药等,在军事、民用、工业、科学研究等领域有重大用途。因此超硬和高能量材料作为有价值的功能材料,吸引了众多科学家对它们进行深入的探索。超硬材料（维氏硬度超过40GPa）主要分为两大类。一类是由容易形成方向性良好的强共价键的B、C、N、O等轻元素组成的化合物。它们有很好的力学性能,在高温下有良好的热稳定性,克服了金刚石这种传统超硬材料在切割铁质材料时容易与其发生反应... 

【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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图１．２：实验－理论－计算关系图示

（转变温度２０３Ｋ）?［７］。??Ｆ，ｒｉｍ她ＩＴｈｅｏｒｙ??图１．２：实验－理论－计算关系图示。??高压科学是依赖于高压实验技术和条件的，主要分为静水压和动态超高压。??静水压技术主要是利用机械设备缓慢挤压样品，产生很高的压强。动态超高压??技术主要是利用极强的冲击波在固体介质中传播时，使介质的压力、密度、温??度等物态参量发生急剧变化，获得瞬时超高压（几百万甚至几千万个大气压）。??早期的静水压技术始于Ｂｒｉｄｇｍａｎ等发展的大腔体压机装置［】］］，能产生ｌＯＧＰａ??左右的压强。如今较为广泛的是多面体压腔，主要是六面体及八面体球分割高??压装置。这种多面体压腔能够获得１５－３０ＧＰａ的高压，金刚石和ｃ－ＢＮ等超硬材??料就是用这种装置合成的。这种压机具有自对中性强、造价低、易操作等优点

Ｆ?（Ｎ）?Ｘｏｒｄ?（ｎｍ）??图１．４：在］５ＧＰａ和１８００°Ｃ下合成的纳米孪晶ｃ－ＢＮ结构（ａ－ｆ），压痕法测得纳??米孪晶（ｇ）和传统的ｃ－ＢＮ晶体（ｈ）的维氏硬度［２］。??最为典型的超硬材料就是金刚石和ｃ－ＢＮ，维氏硬度值分别测量为６０－１５０，??４６－８０?ＧＰａ?［２５」。然而它们必须在高温高压下合成。金刚石在高温下容易与铁、??钴、镍等金属发生化学反应［２６］。为克服这些缺点，科学家们一直致力于寻找??能够和金刚石相比拟的相对廉价的新型超硬材料。通过研究，人们发现成键态??的价电子密度、共价键的强弱和方向性直接决定着材料的力学性能（如体弹模??量和剪切模量），从而决定了材料的硬度［２７］。超硬材料通常都具有较高的价电??子密度和良好方向性的强共价键。高的价电子密度意味着材料拥有内禀的不可??压缩性，使其具有高的体弹模量；良好方向性的强共价键使其具有较强的抗剪??切能力，提高其剪切模量。这些保证了材料很好的抗塑性，从而使其具有高的??硬度。比如，金刚石具有较高的价电子密度（约为０．７０?ｅ－／Ａ３）和强的ｓｐ３杂??化Ｃ－Ｃ共价键（键长约为１．５４?Ａ）


本文编号：3376378