中文摘要：

超硬材料作为一类重要的功能材料，在国防和国民经济的主干行业已经得到了广泛应用，设计和合成新型超硬功能材料是材料物理和化学研究领域的焦点课题。本项目拟选取硼、碳、氮和氧的化合物以及过渡族重金属的轻元素（B，C，N，O）化合物两类典型体系为研究对象，将从头算演化理论的结构预测与高温高压实验合成技术相结合，系统地开展新型多功能超硬材料的结构设计、硬度计算、实验合成和材料结构与物性表征研究，探索新型多功能超硬材料的光、电、磁性质及其应用前景，完善硬度微观理论模型，尤其是过渡族金属轻元素化合物的电子结构与硬度的定量关联，获得高压下多功能超硬材料设计的特定规律、高温高压下可控生长的技术途径，探索新型超硬材料的生长机制，建立新型超硬材料存在的压力-温度相图，为发展新型多功能超硬材料及其应用提供新的设计理论、新方法,积累基础性的实验数据。

结论摘要：

超硬材料作为一类重要的功能材料，在国防和国民经济的主干行业已经得到了广泛应用，设计和合成新型超硬功能材料是材料物理和化学研究领域的焦点课题。本项目选取硼、碳、氮和氧的化合物以及过渡族重金属的轻元素（B，C，N，O）化合物两类典型体系为研究对象，将从头算结构预测与高温高压实验合成技术相结合，系统地开展了新型多功能超硬材料的结构设计、实验合成和材料结构与物性表征研究，获得了若干创新性成果，例如（1）使用纳米洋葱BN粉体作为前驱物，我们首次在实验上合成了纳米孪晶结构的cBN。惊奇的是，纳米孪晶cBN硬度值为108 GPa，大约是cBN单晶硬度的2倍，并且超过人工合成金刚石单晶的硬度；纳米孪晶cBN块材的断裂韧性为12.7 MPa-m1/2，约为cBN单晶的4.5倍，比纳米晶cBN块材高出21%；抗氧化温度高达1294 °C，比cBN单晶高出191 °C。此外，我们利用洋葱碳纳米颗粒在高温（2000 °C）高压（20 GPa）下直接合成了纳米孪晶结构的金刚石。合成的纳米孪晶结构的金刚石表现出前所未有的硬度值（~200GPa）和热稳定性(抗氧化温度高于天然金刚石200 °C)。纳米孪晶cBN和金刚石的成功合成表明，获得纳米孪晶结构是同时提高材料力学性质和热稳定性的一条有效的途径。（2）课题组还合成了多种过渡族重金属的轻元素型硬质材料并研究了它们良好力学性质的物理根源，如MoB2、WB3和Re2C等。（3）通过将粒子群优化技术、硬度的理论计算模型和第一性原理总能计算相结合，我们自主发展了CALYPSO逆向超硬材料设计的新方法，达到了硬度和能量的平衡。为了深入理解超硬材料的应用及破坏机制，项目组发展了CALYPSO表面结构预测方法，并应用于金刚石表面的研究。我们澄清并修正了之前的实验合成结构并指出了一些可能被合成的新超硬材料，如BC3、WB化合物、冷压碳纳米管束、类金刚石笼型氮、碳氮化合物等。 项目执行期间，共发表标注项目号的SCI论文99篇 （SCI影响因子大于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，在国际学术会议做特邀报告15次，项目负责人以第一完成人获得教育部自然科学一等奖，入选教育部长江学者特聘教授、中青年科技创新领军人才、第十二届中国青年科技奖。