目前，我國人造金剛石產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90%以上，然而與發(fā)達國家相比，我國在高性能超硬材料制品與工具的研發(fā)上尚存在較大的差距。國家重點研發(fā)計劃“納米結(jié)構(gòu)超硬材料組織和性能調(diào)控與精密成形加工”項目（2018YFA0703400）聚焦納米結(jié)構(gòu)超硬材料的制備與應(yīng)用方面的原始性探索和前瞻性技術(shù)研發(fā)，針對金剛石和cBN及其復(fù)合材料等高性能塊材中的重大科學(xué)問題與工具制造關(guān)鍵技術(shù)，在納米孿晶超硬材料的制備科學(xué)和工具制造方法及難加工材料的變革性加工技術(shù)、大尺寸塊材合成工藝和納米孿晶金剛石對頂砧研發(fā)、新型超硬材料的發(fā)現(xiàn)等方面開展了系列原創(chuàng)性的研究工作。

1　納米孿晶金剛石及其復(fù)合材料的高壓合成、組織和性能調(diào)控

*實驗確認了2H、4H、9R和15R金剛石多型體的存在，制備出納米孿晶立方金剛石/多型金剛石復(fù)合塊材。發(fā)現(xiàn)多級結(jié)構(gòu)協(xié)同增韌的新機制，為發(fā)展高韌性超硬材料和工程陶瓷提供了新的途徑。合成孿晶取向一致的納米孿晶金剛石；合成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米孿晶金剛石/cBN復(fù)合塊材。發(fā)現(xiàn)了金剛石室溫位錯誘導(dǎo)的塑性變形和位錯滑移新機制；采用分子動力學(xué)模擬納米孿晶金剛石強硬化行為，從位錯角度出發(fā)給出了納米孿晶金剛石持續(xù)硬化的物理起源。

2　難加工材料“以切代磨”變革性技術(shù)探索

揭示了納米孿晶金剛石的飛秒激光去除機理，提出振鏡輔助的次擺線掃描加工策略，解決了飛秒激光加工過程中材料去除效率低、刃口鋒利度差等問題；明確了機械拋光中納米孿晶金剛石晶粒的剪切和機械載荷/化學(xué)催化協(xié)同作用非晶化的多因素耦合機制，*發(fā)展出適用于超精密切削的納米孿晶金剛石刀具；發(fā)展了圓弧刃超精密切削刀具，在純鐵等鐵基材料的切削中表現(xiàn)出高于單晶金剛石刀具的切削性能和耐磨性，實現(xiàn)了純鐵元件的直接超精密切削加工。

3　大尺寸納米結(jié)構(gòu)超硬塊材的制備與應(yīng)用

優(yōu)化改造了納米化設(shè)備的結(jié)構(gòu)單元及主要零部件分布情況，使洋蔥碳前驅(qū)粉體的制備能力達到1.8 g/d；改進了國產(chǎn)六面頂壓機大腔體高壓高溫合成技術(shù)，設(shè)計了新型二級壓砧，優(yōu)化了錘頭結(jié)構(gòu)和合成塊的材料。制備出直徑為5 mm的納米孿晶金剛石塊材；制備出直徑為8 mm的納米晶金剛石塊材。實現(xiàn)了單晶金剛石微納米柱體的單軸壓縮，發(fā)現(xiàn)單晶金剛石中位錯主導(dǎo)的室溫塑性；探索納米孿晶金剛石對頂砧制造的工藝參數(shù)，實現(xiàn)了可控形狀加工技術(shù)，制備了臺面直徑為30 μm的納米孿晶金剛石壓砧，獲得了超過120 GPa的壓力。

4　新型超硬材料的設(shè)計和合成

發(fā)展了復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)超硬材料的結(jié)構(gòu)搜索與設(shè)計方法和軟件；發(fā)展出適用于千原子級超硬材料的高分辨率結(jié)構(gòu)量化指紋表征方法；發(fā)展了兼顧精度和效率的機器學(xué)習(xí)勢，解決了計算的效率和精度平衡難題。篩選出納米結(jié)構(gòu)超硬材料候選體系和結(jié)構(gòu)構(gòu)型，設(shè)計出4種理論硬度大于40 GPa的新型納米孿晶結(jié)構(gòu)（B4C、B13CN、BC2N、BP）；解決了長期以來關(guān)于WB4.2晶體結(jié)構(gòu)的爭議；發(fā)現(xiàn)了金剛石的結(jié)構(gòu)延展性、電子傳導(dǎo)性和超導(dǎo)電性；提出了剪切力誘導(dǎo)的室溫高壓下石墨-金剛石轉(zhuǎn)變的新機制；實驗合成了維氏硬度分別為40 GPa和113 GPa的新型納米孿晶碳化硼和超硬非晶碳（AM-III），其中AM-III為迄今為止*強*硬的非晶材料。

5　小結(jié)

項目組成員獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助2項，國家*青年科學(xué)基金資助1項，獲省部科研獎項兩項。截至項目中期，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文62篇，其中在Nature、Physical Review Letters等發(fā)表論文10篇。未來項目將繼續(xù)圍繞金剛石和cBN及其復(fù)合材料的科學(xué)問題和工具制造關(guān)鍵技術(shù)開展研究工作，努力推動現(xiàn)代加工業(yè)和高壓科學(xué)研究的技術(shù)變革，為我國高端超硬材料與工具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出貢獻。

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