纳米级超硬材料：越小越好 | 金刚石展 | 碳材料大会

Sarah Tolbert教授、Richard Kaner 教授和Abby Kavner教授是一支研究团队的成员，他们发现超硬材料二硼化铼 (ReB₂) 中较小的晶粒尺寸可提高其强度，使其在变形前能够承受更大的应力。这一发现是利用高压径向 X 射线衍射得出的，突显了过渡金属硼化物因其出色的机械性能和较低的生产成本，可用于制造耐用、高效的切削刀具，用于航空航天和汽车等行业。

研究人员利用先进光源（ALS）的高压径向X射线衍射发现，在超硬材料二硼化铼中，晶粒尺寸越小，屈服强度（即永久变形前可承受的应力量）就越大。

由于过渡金属硼化物极其坚硬、具有金属性且可以在环境压力下合成，因此它们在下一代切削工具中具有巨大的应用潜力。

高压下径向 X 射线衍射示意图。二硼化铼 (ReB2) 粉末样品被单轴压缩，产生差异压缩应力，可深入了解材料的强度、变形机制和弹性。

最先进的

随着我们在制造坚固耐用、耐磨损、耐腐蚀、耐极端温度的材料方面越来越熟练（例如航空航天、汽车和工业机械加工应用），我们还需要提高用于切割、成型和抛光这些硬化材料的工具的质量。研究人员发现，过渡金属硼化物由于其成本低廉和机械性能优越，在这方面很有前景。金属硼化物将高度不可压缩的过渡金属（例如钨、铼和锇）与硼结合在一起，硼很容易形成强共价键，这是典型超硬材料金刚石的一个关键特性。在这项工作中，研究人员利用高压径向 X 射线衍射来深入了解晶粒尺寸如何影响超硬材料二硼化铼 (ReB2) 的纳米级变形力学。

灵感源自钻石

钻石是一种众所周知的超硬材料。但钻石的生产需要高温和高压，而这两者都自然存在于地下深处。为了在环境条件下复制钻石的硬度，研究人员一直在寻找兼具两种钻石般特性的材料：密集排列的电子和高度共价键合的网络。

电子密度高、不可压缩的元素位于元素周期表的底部，但这些元素也是金属，具有可塑性和延展性。一种有前途的策略是将金属与硼结合，硼很容易形成强共价键。遵循这一设计原则的超硬金属硼化物的第一个例子是 ReB2，由交替的铼和硼层组成。虽然之前已在较软的无机材料中研究过尺寸诱导硬化，但硬质材料中的尺寸效应相对较少。

高压径向 x 射线衍射

在这项工作中，研究人员合成了晶粒尺寸为 20、50 和 60 纳米的 ReB2 粉末样品。然后，他们使用 ALS 光束线 12.2.2（专用的高压光束线）的高压径向X射线衍射来探索晶粒尺寸对屈服强度的影响，屈服强度与硬度直接相关。该技术使用金刚石压砧压缩样品（高达 50 GPa），X 射线束垂直于压缩轴。这会沿各个晶面产生差异压缩应力，并可以测量晶格参数的变化。通过测量晶格参数，研究人员计算出差异应力，然后绘制了三个不同晶格平面的差异应力与压力的关系图：（002）平面，平行于铼层和硼层，（101）和（110），穿过这些层。

纳米级变形机制

在差分应力图中，平台表示晶格平面滑移（即使压力增加，应力仍保持不变）。相反，增加的趋势表示抗滑移（压力越高，应力越大）。最低的平台出现在 (002) 平面，最小的晶粒表现出最大的抗滑移性。后一种行为可能是由于晶界浓度增加，从而阻止了位错的扩散。除了晶格参数和应力状态外，衍射实验还提供了纹理分析数据，这强化了研究的主要结论。总体而言，这项研究表明，控制超硬材料中的晶粒尺寸和边界效应可用于生产具有更出色机械性能的新材料。

差应力随压力线性增加，然后趋于平稳。线性增加与弹性（可逆）行为有关，而平台期则表明塑性（永久）变形的开始。平台值最低的平面支持的变形最小，而差应力平台值较高的平面则抵抗更多的剪切和位错。