国家重点研发计划项目“纳米结构超硬材料组织和性能调控与精密成形加工”取得阶段性重要进展

目前，我国人造金刚石产量占世界总产量的90%以上，然而与发达国家相比，我国在高性能超硬材料制品与工具的研发上尚存在较大的差距。国家重点研发计划“纳米结构超硬材料组织和性能调控与精密成形加工”项目（2018YFA0703400）聚焦纳米结构超硬材料的制备与应用方面的原始性探索和前瞻性技术研发，针对金刚石和cBN及其复合材料等高性能块材中的重大科学问题与工具制造关键技术，在纳米孪晶超硬材料的制备科学和工具制造方法及难加工材料的变革性加工技术、大尺寸块材合成工艺和纳米孪晶金刚石对顶砧研发、新型超硬材料的发现等方面开展了系列原创性的研究工作。

1　纳米孪晶金刚石及其复合材料的高压合成、组织和性能调控

*实验确认了2H、4H、9R和15R金刚石多型体的存在，制备出纳米孪晶立方金刚石/多型金刚石复合块材。发现多级结构协同增韧的新机制，为发展高韧性超硬材料和工程陶瓷提供了新的途径。合成孪晶取向一致的纳米孪晶金刚石；合成异质结构的纳米孪晶金刚石/cBN复合块材。发现了金刚石室温位错诱导的塑性变形和位错滑移新机制；采用分子动力学模拟纳米孪晶金刚石强硬化行为，从位错角度出发给出了纳米孪晶金刚石持续硬化的物理起源。

2　难加工材料“以切代磨”变革性技术探索

揭示了纳米孪晶金刚石的飞秒激光去除机理，提出振镜辅助的次摆线扫描加工策略，解决了飞秒激光加工过程中材料去除效率低、刃口锋利度差等问题；明确了机械抛光中纳米孪晶金刚石晶粒的剪切和机械载荷/化学催化协同作用非晶化的多因素耦合机制，*发展出适用于超精密切削的纳米孪晶金刚石刀具；发展了圆弧刃超精密切削刀具，在纯铁等铁基材料的切削中表现出高于单晶金刚石刀具的切削性能和耐磨性，实现了纯铁元件的直接超精密切削加工。

3　大尺寸纳米结构超硬块材的制备与应用

优化改造了纳米化设备的结构单元及主要零部件分布情况，使洋葱碳前驱粉体的制备能力达到1.8 g/d；改进了国产六面顶压机大腔体高压高温合成技术，设计了新型二级压砧，优化了锤头结构和合成块的材料。制备出直径为5 mm的纳米孪晶金刚石块材；制备出直径为8 mm的纳米晶金刚石块材。实现了单晶金刚石微纳米柱体的单轴压缩，发现单晶金刚石中位错主导的室温塑性；探索纳米孪晶金刚石对顶砧制造的工艺参数，实现了可控形状加工技术，制备了台面直径为30 μm的纳米孪晶金刚石压砧，获得了超过120 GPa的压力。

4　新型超硬材料的设计和合成

发展了复杂纳米结构超硬材料的结构搜索与设计方法和软件；发展出适用于千原子级超硬材料的高分辨率结构量化指纹表征方法；发展了兼顾精度和效率的机器学习势，解决了计算的效率和精度平衡难题。筛选出纳米结构超硬材料候选体系和结构构型，设计出4种理论硬度大于40 GPa的新型纳米孪晶结构（B4C、B13CN、BC2N、BP）；解决了长期以来关于WB4.2晶体结构的争议；发现了金刚石的结构延展性、电子传导性和超导电性；提出了剪切力诱导的室温高压下石墨-金刚石转变的新机制；实验合成了维氏硬度分别为40 GPa和113 GPa的新型纳米孪晶碳化硼和超硬非晶碳（AM-III），其中AM-III为迄今为止*强*硬的非晶材料。

5　小结

项目组成员获得国家杰出青年科学基金资助2项，国家*青年科学基金资助1项，获省部科研奖项两项。截至项目中期，共发表学术论文62篇，其中在Nature、Physical Review Letters等发表论文10篇。未来项目将继续围绕金刚石和cBN及其复合材料的科学问题和工具制造关键技术开展研究工作，努力推动现代加工业和高压科学研究的技术变革，为我国高端超硬材料与工具产业的发展作出贡献。

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