【技术介绍】

硬质材料主要指硬度介于 20 ~40 GPa 的高硬材料和高于 40 GPa 的 超硬材料，具有广阔的应用前景。一是基础科学研究，如高压科学与凝 聚态物理；二是工业技术应用，如切削、打磨、钻探等工业领域，因此 设计硬质材料意义重大。该项目聚焦 B-C-O 化合物硬质相体系，提出了 完备的硬质 B-C-O 体系结构设计理念、高效合成策略及安全使用依据， 也为解决富硼化和实现非笼─链型结构提供了借鉴。累计在美陶、 中国 物理 B 等期刊上发表论文 12 篇，出版专著 1 部，授权 1 件。成果引起国 内外关注，共获 SCI 引用总数 99 次，其中单篇最高引用达 38 次。成果 被美国内华达大学 Q. An 、乌克兰国立科学院 O. Vasiliev 、美国亚利桑那大学 E. L. Corral 等学者在欧陶、美陶等期刊上引用和好评。

【技术指标】

1、针对无氧体系B-C 特例开展研究，明确了碳化硼富硼构型基态结 构，揭示了其高压相变规律─笼碎机制，提出了其高压相变产物─兼具导 电和超硬属性的非笼─链型 B4C 相。

2、系统挖掘富硼化特性，即组分上非化学计量比和结构上笼─链型； 揭示富硼化体系呈现非化学计量比和高各向异性的根源，指明设计硬质  B-C-O 化合物应避免笼─链型结构；阐明高压有利于破碎硼笼实现非笼─  链型结构并保障化学计量比；提出源头预防硼过剩结合超高压合成的策 略解决富硼化。

3、提出正交晶系B2CO 超硬相，打破关于四方晶系的固有观念；开 发出一种建模方法；报道在低对称性空间群─单斜晶系中存在 B2CO 高 硬相。开拓了杂化共存型高硬相体系。此外丰富了非金刚石等电子体 B-C-O 化合物硬质相，体系涵盖低级和中级对称性晶系。

4 、阐明了B-C-O 化合物力学性质的调控因素与规律，其中同组分 同杂化类型的中级对称性硬度显著高于低级，而同一晶系结构的力学性 质相似；相较于 sp3 杂化而言，杂化共存型会降低体系致密度和硬度； 同结构类型的 B2CXO 系列，碳含量升高有利于硬度等力学性能的提高。

5 、基于形成焓的热力学研究甄别压力驱动型结构、构建 B-C-O 化合物潜在合成路径，明确合成反应所需物相和压力，为针对性依托金刚 石对顶砧或大腔体压机开展高压合成提供指导。此外，模拟应力─应变过程研究其结构变化过程，揭示 B-O 键是其服役过程中结构失效起源点。

【技术成熟度】

本项目技术为实验室原创研发所取得。本项目基于 B-C-O 体系开展 研究，按照“富硼体系特性与结构高压相变→ 分析压力作用提供解决富硼 化方案→ 设计 B-C-O 非富硼化硬质结构→ 探究力学性质调控因素与规律 → 提供前端合成和末端使用指导” 渐进流程关系取得了上述五点主要科 学发现，提出了完备的硬质结构设计理念、高效合成策略及安全使用依 据，也为解决含硼物质富硼化难题和实现非笼─链型结构提供了借鉴。

【应用情况】

硬质材料在基础科学研究如高压科学和凝聚态物理，以及工业技术 应用方面具有重要的价值，使用硬质材料制造的各类刀具、磨具、钻头 等工具被广泛应用于切削、打磨、钻探等工业领域，因此设计并合成硬 质材料对于实现“ 以车代磨” 等现代精加工应用具有重要意义。