近日，四川大學高壓科學與技術實驗室與地球物理研究室聯合研制出硬度高達69 GPa的透明納米多晶氮化硼塊體材料（PcBN），成為僅次于金剛石的第二大透明超硬材料。
       超硬透明材料在工業、能源、航天和國防工程中的應用中非常廣泛且重要，目前主要使用金剛石、Al2O3和c-Si3N4等材料。其中，金剛石的硬度最高（>80GPa），但是其高昂的造價限制使用范圍。其他透明材料的硬度最高僅達34 GPa，較低的硬度也限制了其在某些極端條件下的應用。寇自力、張友君以及趙夢溪等利用四川大學鉸鏈式六面頂壓機在高溫高壓條件下成功合成了透明納米多晶立方氮化硼塊體材料（見下圖）。作者通過將市售立方氮化硼粉末在約14 GPa和1 700~1 800 ℃條件下進行高溫高壓燒結，獲得了平均晶粒約為200 nm的透明立方氮化硼塊體，其直徑約為3 mm，厚度約為2 mm。燒結的樣品在具有較好的透光性的同時（400~1 500 nm波長下具有約70％的透射率）還具備非常好的力學性能，其硬度達到約69 GPa，斷裂韌性為11~14 MPa·m1/2。
       作者認為該材料透明的主要原因是高壓使PcBN形成了非常薄的晶界，約2 nm。另外，高溫高壓下引起的晶粒細化以及晶粒內部發生的塑性形變形成的微觀缺陷使透明PcBN材料的硬度得到了強化。由此，作者對描述材料硬度與晶粒尺寸的霍爾佩奇公式進行了額外修正。
       該項研究為超硬透明陶瓷的合成提供了證據，同時為極端條件下提供了更加經濟的透明窗口材料。該項研究于2021年4月12日發表在國際著名應用物理期刊《Applied Physics Letters》，即《應用物理快報》。研究生趙夢溪為論文第一作者；寇自力研究員和張友君副研究員為論文通訊作者；四川大學原子與分子物理研究所為唯一研究單位。期刊審稿人認為此項研究意義重大并且材料的合成方法有效且可信：“The materials and methodology performed are throughout and well-structured”，“This method is useful and promising”。該研究得到了國家自然科學基金和四川大學雙一流建設經費的支持。

       圖（a）為樣品在大壓機中的組裝圖；（b）為14 GPa/1 700 ℃條件下合成的樣品TEM圖,右上角為晶粒尺寸統計圖，平均約200 nm；（c）為14 GPa下不同溫度樣品的光學圖片及在波長為350 nm~1 500 nm透過率測試結果；（d）為PcBN的維氏硬度與平均晶粒尺寸的函數關系圖。紅色圓代表劉騰等人合成的PcBN，實心藍色倒三角形代表Dubrovinskaia等人合成的PcBN。實心灰色三角形表示Solozhenko等人合成的PcBN。藍色和灰色線表示霍爾-佩奇效應引起的維氏硬度與晶粒尺寸的函數關系。實心紅色圓圈表示本研究中測得的PcBN硬度。紅線代表PcBN的擬合硬度與晶粒尺寸的關系。該關系同時考慮了霍爾-佩奇效應和微缺陷結構的影響。
       全文鏈接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0045545