超硬材料具有高硬度.docx

超硬材料具有高硬度、高强度、高熔点和耐腐蚀等优良的力学性能，因而在工程机械、切削加工、矿物开采、耐磨涂层和航天材料等各种工业中被广泛应用，甚至直接决定着刀刃具行业发展水平的高低。周所周知，金刚石和立方氮化硼分别是世界上现有的第一、第二硬的材料[1]，然而，在高温下金刚石易于同二价金属(如铁)发生化学反应，不能作为各类钢材切削工具，大大限制了它在切削刀具中的使用。立方氮化硼虽具有很强热与化学的稳定性，非常适合于硬、韧和难于常规切削的金属材料的加工，但它的合成需要高温和高压的极端条件，使成本变得非常昂贵。目前，使用最多的两种刀具材料是高速钢和硬质合金，分别约占刀具总量的30%～40%和50%～60%。与金刚石相比，它们的硬度偏低，因而这些刀具寿命短，造成机械加工成本高。而且，当前切削技术的快速发展，已经进入了现代切削技术新阶段，刀具材料成为制造业开发新产品和新工艺，应用新材料的基础工艺和建立创新体系的关键因素之一。随着科学技术迅速发展，各种难于加工材料不断涌现，现有的超硬材料难以满足制造业的需要，迫切需要寻找新的稳定热性质和化学性质的超硬材料。因此，理论上设计和实验中合成超硬材料成为国际研究的前沿热点[2]。为了能设计和合成新的超硬材料，一方面可以利用硼、碳、氮和氧等小原子元素，仿照金刚石的结构，形成三维立体强共价键化合物，设计和合成超硬材料。另一方面，最近Science、JACS报道[3-5],过渡金属元素的硼、碳、氮、氧等化合物可能提供了一条新的设计与合成超硬材料途径。过渡金属元素都具有d电子，因而具有高的价电子浓度，致使它们具有极大的体变模量，极强的抵抗弹性变形能力，超低的不可压缩性能。可是，从化学成键角度来说，这些价电子大都形成的是金属键，不能有效地阻止晶格位错地产生和运动，致使纯过渡金属往往呈现很低的硬度。要使它们从超低压缩性材料变成超硬材料，需要把各个方向均匀的金属键变成有方向性的共价键，因此，把硼、碳、氮、氧等小的原子掺入到过渡金属的晶格中，使其引入共价键，

再设计理想的晶格结构，就能增强了它们抵抗塑性变形的能力，大大提高它们的硬度，例如RuO[6]、WC[7]、

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和CoWC[8]等都是这类硬性材料。

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合成新的超硬材料往往需要在高压条件得以实现。高压科学主要研究在高压下物质结构(晶格结构、电子结构及相态)的改变，及其对物质性质的影响。超高压可以改变物质的原子结构，是合成新物质相、产生新现象的重要条件和手段，它已成为物质科学中的一个新维度，引起全世界关注[9]。高压下物质原子间距发生变化，Gibbs自由能亦随之而变，原子结构会在某种形式下趋于稳定而形成新的物质相。随着金刚石对顶砧(DiamondAnvilCell,DAC)技术的发展，在实验室可以获得400GPa以上的超高压。实验上合成超硬材料往往需要涉及超高压的极端条件，因为超高压下物质原子间化学键会发生改变，并会导致其异于常规条件下的金属化、超导性、半导体性、聚合作用、超硬度等物性变化。但在超高压的极端条件下，有些试验昂贵且难以实现，因而，电子、原子以及分子层次的力学理论模拟计算分析是研究极端条件下物质微观物理、力学行为的有力手段，优势明显。所以，最近用物理力学(最早由我国科学家钱学森提出)[10,11]方法来研究材料的物理、力学行为，如合成、相变、导电性、光传输性、硬度等，变得非常活跃[12-14]。

二氧化钛(TiO)以其优异的物理、化学、力学等性能而成为当今科学研究的热点之一。它不仅被广

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泛地用作颜料、涂料、油墨和纸张的增白剂，而且作为宽能隙半导体与光催化材料[15,16]，甚至成为室温

下铁磁半导体的母体[17]。纳米TiO

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材料问世于20世纪80年代后期，由于其粒径很小、比表面积大、界

面原子所占比例大而具有更为独特的性能。例如：优异的紫外屏蔽作用、透明无毒、奇特的颜色效应及光化学催化作用等，使其一经面世即备受青睐；在汽车工业、防晒化妆品、高级涂划、废水处理、杀菌、

环保、吸附剂等方面有着广阔的应用前景。在通常情况下，TiO

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以四方晶格的金红石(Rutile)相存在。在超

高压下，它可以构成原子结构各异、物理力学性质千差万别的结构稳定相与亚稳定相，如四方晶格锐钛矿(Anatase)相、正交晶格板钛矿(Brookite)相、单斜晶格锆铁矿(Baddeleyite)相、正交晶格钶铁矿(Columbite)相、正交晶格氯铅矿(Cotunnite)相、立方晶格黄铁矿(Pyrite)相和立方晶格萤石(Fluorite)相等[19-21]。这些显

示TiO

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在高压下呈现出丰富的相态与结构相变，然而对超高压条件下系统的结构相变规