《新型超硬功能材料的結構設計和可控制備》是依託吉林大學，由馬琰銘擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：新型超硬功能材料的結構設計和可控制備
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：馬琰銘
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超硬材料作為一類重要的功能材料，在國防和國民經濟的主幹行業已經得到了廣泛套用，設計和合成新型超硬功能材料是材料物理和化學研究領域的焦點課題。本項目擬選取硼、碳、氮和氧的化合物以及過渡族重金屬的輕元素（B，C，N，O）化合物兩類典型體系為研究對象，將從頭算演化理論的結構預測與高溫高壓實驗合成技術相結合，系統地開展新型多功能超硬材料的結構設計、硬度計算、實驗合成和材料結構與物性表征研究，探索新型多功能超硬材料的光、電、磁性質及其套用前景，完善硬度微觀理論模型，尤其是過渡族金屬輕元素化合物的電子結構與硬度的定量關聯，獲得高壓下多功能超硬材料設計的特定規律、高溫高壓下可控生長的技術途徑，探索新型超硬材料的生長機制，建立新型超硬材料存在的壓力-溫度相圖，為發展新型多功能超硬材料及其套用提供新的設計理論、新方法,積累基礎性的實驗數據。
結題摘要
超硬材料作為一類重要的功能材料，在國防和國民經濟的主幹行業已經得到了廣泛套用，設計和合成新型超硬功能材料是材料物理和化學研究領域的焦點課題。本項目選取硼、碳、氮和氧的化合物以及過渡族重金屬的輕元素（B，C，N，O）化合物兩類典型體系為研究對象，將從頭算結構預測與高溫高壓實驗合成技術相結合，系統地開展了新型多功能超硬材料的結構設計、實驗合成和材料結構與物性表征研究，獲得了若干創新性成果，例如：（1）使用納米洋蔥BN粉體作為前驅物，我們首次在實驗上合成了納米孿晶結構的cBN。驚奇的是，納米孿晶cBN硬度值為108 GPa，大約是cBN單晶硬度的2倍，並且超過人工合成金剛石單晶的硬度；納米孿晶cBN塊材的斷裂韌性為12.7 MPa-m1/2，約為cBN單晶的4.5倍，比納米晶cBN塊材高出21%；抗氧化溫度高達1294 °C，比cBN單晶高出191 °C。此外，我們利用洋蔥碳納米顆粒在高溫（2000 °C）高壓（20 GPa）下直接合成了納米孿晶結構的金剛石。合成的納米孿晶結構的金剛石表現出前所未有的硬度值（~200GPa）和熱穩定性(抗氧化溫度高於天然金剛石200 °C)。納米孿晶cBN和金剛石的成功合成表明，獲得納米孿晶結構是同時提高材料力學性質和熱穩定性的一條有效的途徑。（2）課題組還合成了多種過渡族重金屬的輕元素型硬質材料並研究了它們良好力學性質的物理根源，如MoB2、WB3和Re2C等。（3）通過將粒子群最佳化技術、硬度的理論計算模型和第一性原理總能計算相結合，我們自主發展了CALYPSO逆向超硬材料設計的新方法，達到了硬度和能量的平衡。為了深入理解超硬材料的套用及破壞機制，項目組發展了CALYPSO表面結構預測方法，並套用於金剛石表面的研究。我們澄清並修正了之前的實驗合成結構並指出了一些可能被合成的新超硬材料，如BC3、WB化合物、冷壓碳納米管束、類金剛石籠型氮、碳氮化合物等。項目執行期間，共發表標註項目號的SCI論文99篇 （SCI影響因子大於3.0文章69篇），其中Nature 2 篇、Nat. Chem. 1篇、Nat. Commun 2篇、PRL 6篇、PNAS 2篇、JACS 4篇，在國際學術會議做特邀報告15次，項目負責人以第一完成人獲得教育部自然科學一等獎，入選教育部長江學者特聘教授、中青年科技創新領軍人才、第十二屆中國青年科技獎。
