纳米孪晶序构的超硬高韧立方碳化硅陶瓷

Improving the hardness and fracture toughness of traditional structural ceramic materials such as silicon carbides simultaneously is one of the important problems in the related fields. In this project, silicon carbide nanopowders with different grain sizes are chosen as starting materials. We plan to synthesize the densified bulk of nano-twinned cubic silicon carbide and its multiphses by introducing deformation twins and silicon carbide polytypes into cubic silicon carbide nanopowders via plastic deformation under high pressure and high temperature treatments. We will study the effect of synthesis conditions (temperature, pressure, reaction time) on the formation, distribution and density of twins in silicon carbide particles and measure the hardness, fracture toughness, compressive strength and other performance of the bulk of nano-twinned cubic silicon carbide and its multiphses. We will also build the relationship between microstructure (grains, twins in the grains, silicon carbide polytypes) and macro-performance (hardness, fracture toughness, compressive strength) and then synthesize the bulk of nano-twinned cubic silicon carbide and its multiphses with high hardness (Hv>40GPa) and high fracture toughness (KIC>10MPa•m1/2) by three-dimensional construction of twins. In addition, we will build the twined structural model of cubic silicon carbide, calculate its mechanical properties of tensile strength, shear strength, indentation shear strength, etc., clarify the corresponding stress and strain relationship, and reveal the strengthening and toughening mechanism of twins in silicon carbide.

碳化硅等传统结构陶瓷材料的协同增硬增韧是相关领域的重要难题之一。本项目以不同粒径的立方碳化硅纳米晶为原料，拟使用高温高压方法，在初始纳米晶内部产生形变孪晶功能基元，并引入SiC多型体，制备致密的高性能纳米孪晶立方碳化硅块材及其复相材料。研究合成工艺参数（温度、压力、保温时间等）对碳化硅晶粒中孪晶形成、分布及密度的调控作用；测定致密块材的硬度、断裂韧性、压缩强度等力学性能，建立材料显微组织结构（晶粒、晶粒内的孪晶及SiC多型体等）与宏观性能（硬度、断裂韧性、压缩强度等）的关系；通过孪晶的三维序构制备出超硬(Hv>40GPa)、高韧(KIC>10MPa•m1/2)纳米孪晶立方碳化硅块材及其复相材料。另外，构建立方碳化硅的孪晶结构模型，研究其拉伸、剪切、压痕剪切强度等力学性能，确定相应的应力应变关系，揭示碳化硅材料中孪晶的强韧化机制。

碳化硅具有优良的力学性能、化学稳定性和热稳定性，被广泛用作刀具材料和半导体材料。碳化硅作为刀具材料，在实际应用中，需要解决其致密块材的烧结问题；在保证烧结体致密的前提下实现碳化硅的协同增硬增韧是当前其块材研究的关键科学问题。.本项目以平均晶粒尺寸为8nm的立方碳化硅纳米粉为原料，在不同的温度及压力条件下开展高温高压实验，合成了一系列纳米晶的立方碳化硅块材。结构分析表明合成块材的显微组织结构受温度与压力条件调控，例如较高的合成压力有利于抑制晶粒的生长、较高的合成温度有利于材料的致密化，进而优化了纳米晶立方碳化硅块材的合成条件-25GPa/1400℃。该条件下制备的立方碳化硅块材高度致密，平均晶粒尺寸约为10nm。力学性能表征显示，块材的维氏硬度与晶粒尺寸间满足霍尔-佩奇关系，即随着晶粒尺寸的减小，材料的硬度增加。25GPa/1400℃条件下制备的块材维氏硬度高达41.5GPa，显著高于商用碳化硅材料的硬度，与单晶立方氮化硼相媲美，是一种新型超硬材料。将立方碳化硅的硬度提高到超硬阈值之上是超硬材料研究的重要进展。通过在其他硬质材料(例如BP、B4C等)中实施类似的纳米结构化策略，超硬材料家族有望迎来更多的新成员。.此外，我们通过选取多型结构的碳化硅纳米粉为原料，在25GPa/1500℃的高温高压条件下合成了高硬度、高韧性的纳米晶立方碳化硅块材，其维氏硬度为34.4GPa，比商用碳化硅高~43%；断裂韧性达4.8MPa·m1/2，比商用碳化硅高~26%，拓宽了碳化硅材料的使用空间。.项目执行期间，共发表标注项目号的SCI论文7篇，申请专利1项。项目负责人在国际国内学术会议做邀请报告4次，本项目培养博士研究生5名，硕士研究生2名，其中梁笑微、武英举、王林妍已分别于2020、2021、2022年博士毕业，孙荣鑫和魏旭东由硕士生转为博士生。