超硬材料網

超硬材料號稱“工業的牙齒”，因其高硬度、高強度和耐腐蝕等優異性能而廣泛應用于刀刃鉆具、航空、海洋、核能等諸多極端環境領域。金剛石是目前公認的最硬材料，雖有高硬度，但其熱與化學穩定性差（在高溫下易于石墨化、易同氧與鐵等元素發生化學反應）。碳化鎢能克服金剛石的這些固有缺點，在高速切割刀具方面被大量使用，但其硬度偏低。

東華大學理學院梁擁成教授、功能材料研究中心張國軍教授團隊與南方科技大學等相關團隊合作，提出利用價電子成鍵軌道優化填充能有效提升碳化物硬度的設計方法，成功制備出W1?xRexC（x=0.1~0.3)固溶體材料，納米壓痕與維氏硬度測量證實它們的硬度遠高于碳化鎢，成為迄今最硬的過渡金屬碳化物材料，并揭示其高硬度的內在物理機制。相關成果以《通過成鍵軌道優化占據來提升過渡金屬單碳化物的硬度》（Enhanced Hardness in Transition Metal Monocarbides via Optimal Occupancy of Bonding Orbitals）為題，發表在國際期刊《美國化學會應用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上。

此外，東華大學梁擁成教授、張國軍教授團隊與南方科技大學、江蘇大學、上海大學、武漢大學、美國紐約州立大學(State University of New York)等單位科研人員合作，對過渡金屬化合物材料的新奇物性等方面進行系統研究：

       （1）發現過渡金屬單硼化物在價電子濃度為8個電子/分子時，它們呈現最高硬度，解釋了實驗觀測W0.5Ta0.5B的超高硬度，闡明了這類材料體系反常納尺度硬化的獨特機制，開辟了設計多功能材料的新方法。
       （2）發現一種全新的立方碳化錸，它同構于氧化鈮結構，這個新相能從立方氯化鈉結構中有規律去掉四分之一的金屬與非金屬原子而獲得有序空位結構。這種空位有序不僅恢復了碳化錸的穩定性，而且誘使其反常高硬度特性。
       （3）鑒別四方tI26結構是ScB12的熱力學基態，是YB12、ZrB12與HfB12的亞穩定態；而立方cF52結構是ScB12的亞穩定態，是YB12、ZrB12與HfB12的熱力學基態。發現這兩種構型的獨特性引起了金屬十二硼化物的多重功能性(即高硬度、低密度、優良電導特性共存)；進而揭示了它們穩定性與功能性的電子起源。這些結果不僅有效解決了金屬十二硼化物長期的結構爭議，而且為它們多功能性提供了深入理解。
       （4）發現無機半導體Ag2S在壓力分別為7.5GPa與16GPa附近發生兩個對稱性不變的結構相變，細致分析發現第一個結構相變是由于Ag-S皺褶層在壓力作用下突然失穩造成，伴隨著這個相變，體變模量隨壓力增加而增大，但剪切模量與硬度急劇降低，導致其Pugh模量急劇增加，即塑性增加，這種壓力誘使的高塑性也存在于Au2S與Cu2S中；第二個結構相變是由于壓力驅使Ag2S從常規半導體向拓撲金屬的電子相變而引起的。這些結果不僅揭示了這類無機半導體超高塑性的內在機制，而且發現了一種獨特的拓撲金屬。
       相關研究成果近年來陸續發表在國際期刊Nanoscale,Materials Today Physics,Chemistry of Materials和Physical Review B (Rapid Communications)上，東華大學作為第一單位，理學院梁擁成教授作為第一兼通訊作者。以上研究工作得到了中央高?；究蒲谢穑ń徊鎸W科重點、自由申請項目)、國家自然科學基金（重點項目、面上項目）、上海市自然科學基金等項目資助。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c23049

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.102.140101

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.8b04776

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529318301160

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/nr/c7nr02377d#!divAbstract