亚稳材料是先进材料研究领域中的重要前沿研究领域。本研究群体成员经过多年的合作研究,在亚稳材料科学的主干方向上取得了在国内外有广泛影响的研究成果,以此为基础,在燕山大学建成了亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室。在已形成的研究优势基础上,以发现新的亚稳材料体系和发展新的制备技术为目标,沿着设计- - 合成- - 结构调控- - 物性这条主线,在亚稳材料的设计原理、新型亚稳材料的理论设计与实验合成和特种纳米结构的形成、调控和物性三个方面开展深入研究,发展本领域的基础理论,形成具有自主知识产权的新材料体系和制备及加工技术,对发展的新型亚稳材料形成系统、全面的认识,推动本学科的发展,为国民经济和国防建设的需求提供理论和技术上的支持。
superhard;diamond;nanotwinned;design principle;structure adjustment and control
天然金刚石一直被认为是自然界中最硬的材料。自从1955年能人工合成金刚石起,合成出比天然金刚石更硬的材料就成为科学界和产业界的共同梦想。本项目组建立的硬化模型指出多晶共价材料的硬度随显微组织尺寸减小可持续增大,为大幅度提高现有超硬材料的硬度提供了可能的途径。我们近期的实验工作发现纳米孪晶化是共价材料获得超细化组织的有效方法,为此我们采用洋葱碳合成出具有极高硬度和稳定性的纳米孪晶金刚石,其维氏硬度可达200 GPa,是天然金刚石的2倍,实现了人类合成比天然金刚石更硬材料的梦想;其韧性也比金刚石单晶提高了一倍,且抗氧化温度比天然金刚石高出200 ?C以上。这三大指标的显著提高将会使超硬工具的寿命成倍提高。本成果发表在 [Nature 510(2014), 250] 上,同期Nature杂志的News & Views栏目刊文“Diamond gets harder”详细介绍了该项工作,并在封面和目录页分别进行了导读。本成果引起了学术界的广泛关注和高度评价科技日报、参考消息、赫芬顿邮报、芝加哥论坛、洛杉矶时报等新闻媒体,国家自然科学基金委员会、Chemistry World、Phys.Org、nanotechweb.org、Nano Today、Materials Today、Science China: Chemistry、Asian Scientist、Life Science等学术网站和杂志都进行了报道。此外,我们采用第一性原理计算方法预测了六种具有直接带隙或者准直接带隙的硅的新型同素异形体,这些结构具有比金刚石结构硅更加优异的性能;我们设计并制备了系列的新型锆基非晶合金,用所开发的锆基非晶合金制作的空间分离机构卡环和光学机构轴承,满足了空间应用的特殊技术要求,这个成果获得了2012年度国家技术发明奖二等奖。 2012年以来,本群体共发表标注资助SCI论文117篇,其中Nature杂志2篇、JACS杂志3篇,影响因子2以上的论文109篇。申请中国发明专利27项,其中授权19项;毕业博士生18名,硕士生36名。