纳米聚晶超硬材料的高温高压合成研究
以金刚石、立方氮化硼为代表的超硬材料，因其内部原子通过sp3杂化形成的强共价键结构，展现出了硬度高、耐磨性好等优异性能，在地质钻探、国防军工、工业制造等领域有广阔的应用前景。通过结构纳米化形成纳米聚晶可以调控超硬材料的性能，获得更高硬度与韧性等优异性能的超硬材料，研发制备纳米聚晶超硬材料是超硬材料领域备受关注的热门话题。众所周知，高温高压可以诱导sp2碳/氮化硼向sp3结构转变，形成金刚石/立方氮化硼结构，因此其是制备具有优异性能纳米聚晶超硬材料的手段。目前，寻找经济的碳前驱体、调控纳米聚晶结构、揭示纳米聚晶形成机制仍是该研究方向亟需解决的科学问题。研究表明，前驱体的构型与相应聚晶超硬材料的合成条件、微观结构、性能等密切相关，深入研究不同前驱体在高温高压下向纳米聚晶超硬材料的转变过程，探索前驱体结构对聚晶结构与性质的影响，对于设计优化制备具有优异性质的纳米聚晶超硬材料具有重要指导意义。本论文围绕纳米聚晶金刚石以及金刚石/BN纳米聚晶复合材料的高温高压合成，选用纳米卷曲石墨、非晶化富勒烯/纳米氮化硼为前驱体，利用大腔体高压技术，探究其在高温高压下的结构转变与相应纳米聚晶材料的制备，获得以下研究结果： 1.利用大腔体压机研究了纳米卷曲石墨在高温高压条件下的结构转变与纳米聚晶金刚石的制备。首先，探索了纳米卷曲石墨在25GPa，相对较低温度（800-1200℃）条件下的结构转变，结合拉曼光谱、X射线衍射与电子显微镜等表征手段，发现在800℃与1000℃的条件下，卸压样品依旧保持着sp2杂化形式，但有趣的是其无序度显著提高。进一步提升温度至1200℃时，样品内部开始经扩散相变转变成纳米金刚石结构，形成众多无序碳包裹的金刚石纳米晶粒。高温高压下纳米卷曲石墨发生非晶化的反常现象得益于内部高度扭曲的石墨层结构，可能导致高压原位形成亚稳的sp3结构，但其内部存在较大应力使得卸压过程中应力释放，转变成高度无序的sp2非晶碳结构。为制备高品质的纳米聚晶金刚石，提高实验温度，在14GPa2100℃、20GPa1800℃、20GPa2100℃下，分别合成出了平均晶粒尺寸在21nm、25nm、40nm的纳米聚晶金刚石。结合力学性能表征发现，随着压力和温度的提高，纳米聚晶金刚石的颗粒尺寸不断变大，其维氏硬度也提高至133.2GPa（高于单晶金刚石120GPa的硬度）。研究表明，纳米卷曲石墨在高温高压下可以发生有趣的非晶化转变，并且通过改变温度和压力，可以实现合成纳米聚晶金刚石的晶粒尺寸的调控，为制备超强硬度的纳米聚晶材料提供了新途径。 2.利用大腔体压机技术，以机械球磨的非晶富勒烯/纳米氮化硼前驱体高温高压制备获得金刚石/BN纳米聚晶复合材料。利用拉曼光谱、X射线衍射、电子显微镜等表征手段，发现非晶富勒烯/纳米氮化硼在25GPa1000℃、1200℃转变成由小尺寸晶粒（6-9nm）的金刚石、c-BN、w-BN纳米晶构成的复合材料。X射线光电子能谱证实样品内部存在C-B-N、B-C、C-N键，表明内部形成一定量的B-C-N三元结构。此外，电子能量损失谱与维氏硬度测量发现，随着温度的提高样品内部sp3杂化含量也提高，表现出了更好的结晶性，样品硬度从30.5GPa提高到了36.2GPa。实验结果表明，非晶富勒烯/纳米氮化硼在高温高压下可以制备获得小晶粒尺寸构筑的金刚石/BN纳米聚晶复合材料，并表现出优异力学性质，为设计合成金刚石/BN纳米聚晶超硬复合材料提供了新思路。
高温高压;超硬材料;纳米卷曲石墨;纳米聚晶金刚石;纳米聚晶复合材料
吉林大学
硕士
凝聚态物理
姚明光
2023
中文
TB383
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）