新型过渡金属硼化物超硬材料的微观机制和理论预测

传统超硬材料因固有缺陷难以满足实际需要，研究新型过渡金属化合物超硬材料的微观机制，并开展超硬相的预测有重要科学价值和现实意义。本项目以典型过渡金属硼化物(WBx、ReBx和OsBx)体系为研究对象，从化学键组合、轨道空间分布和键态优化填充等方面去探索超硬机制，突破了传统的纯共价键机制，具有新颖性。主要研究内容为：研究过渡金属硼化物力学特性随着组份含量、原子空位和价电子浓度等因素的变化规律；探索其晶体结构和电子结构的内在起源，揭示超硬特性的微观机制；预测新的超硬结构相。本项目是材料、物理和力学的多学科交叉研究，有望取得过渡金属化合物超硬机制认识的突破，为合成新型超硬材料提供理论指导；并可能确定全新的过渡金属化合物超硬结构相，在合成超高温陶瓷材料、制造超硬加工工具等方面具有广阔的应用前景。

传统超硬材料(如金刚石等)因固有缺陷难以满足实际需要，探索潜在的新型超硬材料、并研究它们微观机制具有重要的科学价值和现实意义。基于密度泛函理论上第一性原理计算，本项目研究了若干过渡金属硼化物、氮化物、氧化物和碳基材料的结构特性、力学行为和电子机制，获得如下主要成果：.鉴别长期接受的WB4实际上是WB3；发现从WB4到WB3硬度有61%的巨大下降，并阐明其内在起源；预测了一种新结构相hR24-WB3，它比实验合成相hP16-WB3在能量上更加稳定；基于Os-B、Re-B和W-B体系的稳定性与硬度之间关系，提出超硬设计的热力学准则：寻找热力学最稳定的最高硼化物；选择Cr-B体系作为典型范例，鉴别CrB4是非常有竞争性潜在超硬材料；发现从多孔结构的hP16-MoB3、hR18-MoB2分别到密集结构的hP20-MoB4、hR21-Mo2B5它们的热力学稳定性和硬度发生了意料之外的反常下降；阐明了这反常变化有着内在的电子机制。.发现Re3N和Re2N不仅是超刚度的硬材料，而且呈现力学稳定性和金属特性，并阐明它们微观机制；发现CrN立方顺磁相仅是超低压缩性材料，但其正交反铁磁相应该是低压缩性的硬材料；提出了CrN晶格扭曲和自旋自由度相互作用模型，解释了在磁结构相变中不可压缩性软化和剪切硬化反常力学行为。.发现在压力下OsO2从Rutile结构转变为Pyrite结构、再转化为Fluorite结构；计算结果显示Fluorite结构有很高的体模量、剪切模量和高弹性常数C44，表明它是超硬材料的候选者；发现特定的压力与温度使TiO2的正交结构相Pca21变得稳定，而它的立方结构相Fluorite和Pyrite-TiO2在0到200GPa压力下从能量上看都是不稳定的，因此实验声称的立方相应该是正交结构Pca21相；发现TiO2的单斜结构Baddeleyite相的体模量仅为149GPa，远小于实验报道值290-304GPa；揭示实验合成的TiO2高压Fe2P结构相不仅呈现半导体特性，而且在超高压下有超硬潜力。 .证实了金刚石结构BC5相是不可压缩性超硬材料，而且揭示它是力学稳定的和金属特性；发现BC5的能垒要比金刚石高0.057eV/atom，表明它的热稳定性要比金刚石高500多度；尤其，发现金刚石结构的BCx体系的力学特性随着硼元素含量增加而降低，并给予电子结构解释。