超硬材料(HV > 40 GPa)具有优越的硬度、不可压缩性和耐磨性，被广泛使用于机械加工及高压科学等领域。现阶段，超硬材料仍主要局限于金刚石和立方氮化硼，两者早在上世纪50年代就已实现了人工合成。近期的研究表明，纳米结构化是提升超硬材料硬度的有效途径，例如纳米晶金刚石、纳米晶立方氮化硼等。能否将纳米结构化策略应用于传统的硬质材料(HV < 40 GPa)，从而制备出异于金刚石和立方氮化硼的新型超硬材料，是超硬材料研究的重要挑战之一。
        燕山大学田永君院士课题组高国英、徐波教授等将纳米结构化策略引入到碳化硅这一传统的硬质材料，在高温高压条件下成功制备出纳米晶结构的立方碳化硅致密块材，块材中平均晶粒尺寸低至10 nm。受益于这种独特的显微组织结构，块材的维氏硬度相较于商用碳化硅大幅度提高，可媲美单晶立方氮化硼。该研究首次将立方碳化硅这一传统硬质材料提升为超硬材料，扩大了超硬材料家族成员，是超硬材料研究领域的重要进展。
          研究团队以平均晶粒尺寸为8 nm的立方碳化硅纳米粉为原料，在不同的温度及压力条件下开展高温高压实验，合成了一系列纳米晶结构的立方碳化硅块材。结构分析表明合成块材的显微组织结构受温度与压力条件调控，例如较高的合成压力有利于抑制晶粒的生长、较高的合成温度有利于材料的致密化，进而优化了纳米晶立方碳化硅块材的合成条件—25 GPa/1400 ℃。该条件下制备的立方碳化硅块材高度致密，平均晶粒尺度约为10 nm，其显微组织结构见图1。

图1. 25 GPa/1400 ℃合成样品的显微结构。(a)典型的DF-STEM图像。(b)块材中晶粒的晶体取向图。(c)单个纳米晶粒的HAADF-STEM图像。红线和双箭头分别标记着孪晶界及层错。

         力学性能表征显示，块材的硬度与晶粒尺寸间满足霍尔-佩奇关系，即随着晶粒尺寸的减小，材料的硬度增加(图2)。25 GPa/1400 ℃条件下制备的块材维氏硬度高达41.5±0.5 GPa，显著高于商用碳化硅材料的硬度(< 30 GPa)，与单晶立方氮化硼相媲美，是一种新型超硬材料。将立方碳化硅的硬度提高到超硬阈值之上是超硬材料研究的重要进展。通过在其他硬质材料(例如BP、B4C等)中实施类似的纳米结构化策略，超硬材料家族有望迎来更多的新成员。
       论文信息：
       Nanocrystalline cubic silicon carbide: A route to superhardness
       Rongxin Sun, Xudong Wei, Wentao Hu, Pan Ying, Yingju Wu, Linyan Wang, Shuai Chen, Xiang Zhang, Mengdong Ma, Dongli Yu, Lin Wang, Guoying Gao*, Bo Xu*, Yongjun Tian
        Small
       DOI: 10.1002/smll.202201212
       原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202201212

近日，由燕山大学田永君院士主持承担的国家自然科学基金重大项目“材料结构和性能的高压调控原理与技术”正式获得立项资助，项目直接经费1792万元，这是我校首次作为主持单位承担国家自然科学基金重大项目，在河北省尚属首次，也是2020年我校科研工作的又一项重要历史性突破。
        该项目联合吉林大学、广东工业大学以及浙江大学共同承担，分为四个课题，分别由我校田永君院士、聂安民教授、王霖教授以及吉林大学马琰铭教授承担，项目资助直接经费1792万元，执行期5年。项目围绕解决金属氢和室温超导电性两个重大科学问题对超高压技术和压砧使用材料的迫切需求，拟发展全新的高压调控策略—形变孪晶方法，制备出超高硬度、高韧性（高塑性）的纳米孪晶金刚石材料，获得材料在微纳尺度下力学性能数据，设计并研制出最高压强大于400GPa的纳米孪晶金刚石对顶砧，并用于探索高压下具有室温超导转变的新型氢化物。此外，将形变孪晶等调控策略和科学原理用于解决部分陶瓷材料的脆性问题，力争发展出高韧性/高塑性的结构陶瓷。

项目主要研究内容

（图片由科学技术研究院提供）

        通过本项目研究，将会实现部分塑性陶瓷和高韧性陶瓷制备技术上的突破，大幅度提高结构陶瓷服役的可靠性，拓宽结构陶瓷的应用领域，派生出变革性加工技术；使部分陶瓷材料在微纳尺度具有超大塑性变形能力，使其断裂强度逼近或超越经典Griffith理论强度，拓展陶瓷材料在微纳部件制造领域的应用范围；使材料超导转变温度提高到室温，突破人类对超导现象的传统认知；使人类获得静高压的范围拓展到400GPa以上，为进一步实现体心四方结构金属氢、正交结构金属氢和体心立方结构金属氢以及在更宽范围进行高压科学的基础研究提供技术支撑。

       国家自然科学基金重大项目是国家自然科学基金委设立的重大标志性项目，旨在面向科学前沿和国家经济、社会、科技发展及国家安全重大需求中的重大科学问题，超前部署，开展多学科交叉研究和综合性研究，充分发挥支撑与引领作用，提升我国基础研究源头创新能力。燕山大学牵头承担国家自然科学基金重大项目，充分体现了我校在基础科学研究领域的水平和地位，将对助力学校“双一流”建设和实现“特色鲜明、国内一流、世界知名的研究型大学”建设目标发挥重要作用。（编辑 李佳奇）

题目：报告题目:纳米结构超硬材料及派生的变革性新技术
时间：2018年9月29日（周六）10：00-11：00
地点：牵引动力国家重点实验室 红楼218
报告人：田永君， 燕山大学材料科学与工程学院教授,博士生导师,中国科学院院士。


东北重型机械学院（现燕山大学）材料学专业工学硕士，中国科学院物理研究所凝聚态物理专业理学博士，2018年度陈嘉庚科学奖获得者。2001年被教育部聘为长江学者奖励计划特聘教授，为河北省首位长江学者。2002年获得国家杰出青年科学基金，2006年获教育部长江学者和创新团队发展计划创新团队，2009-2017年国家基金委“新型亚稳材料的设计原理、实验合成与结构调控”创新群体学术带头人 。国家“万人计划”科技创新领军人才。
Science China Materials副主编，Journal of Materials Science & Technology、Journal of Materiomics等期刊编委。
主要从事新型亚稳材料的设计与合成研究，并在超硬材料研究领域取得了突破性进展。合成出超细纳米孪晶结构立方氮化硼和金刚石，显著提高了两种超硬材料的硬度、韧性和热稳定性，其中纳米孪晶金刚石的硬度达天然金刚石的两倍，阐明了比天然金刚石更硬材料的硬度测试原理，实现了淬硬钢的超精密切削加工。建立了共价晶体的硬度模型，定义了化学键离子性的新标度。建立了多晶共价材料的硬化模型，阐明了多晶共价材料随显微组织特征尺寸减小可持续硬化的基本原理。研究成果分别入选2013年度和2014年度中国科学十大进展和中国高等学校十大科技进展。共获得国家自然科学奖二等奖1项，中国高校科学技术奖（自然科学类）一等奖1项，获得其他省部级一等奖1项、二等奖1项、三等奖3项。2016年度河北省科学技术突出贡献奖获奖者。2017年当选中国科学院院士。第十三届全国人民代表大会代表。
欢迎各位老师、同学参加。

发展中国家科学院（TWAS）第28届院士大会11月27日在意大利开幕。来自20个国家和地区的46位学者新当选TWAS院士，其中14位为中国大陆科学家。中科院院士、燕山大学田永君入选。

中科院田永君院士团队的科研成果《比天然金刚石更硬的人工材料的合成》获得2018年度陈嘉庚技术科学奖，这项成果为人类将来探索新材料、发现新的物理现象和化学反应提供了可能。
　　陈嘉庚科学奖获奖者、中科院院士 田永君：我们应该沉下心来，发扬十年磨一剑的精神，真正地做出具有我们中国科学家原创的科技成果，真正能够达到引领国际科学技术的发展。

1.获奖项目：比天然金刚石更硬人工材料的合成

　　如何认识和逼近材料的性能上限是材料科学的重要主题。天然金刚石自6000多年前发现以来一直被认为是自然界中的最硬材料。寻找比天然金刚石更硬的人工材料一直是人类的梦想，许多学者曾认为实现这个梦想是不可能的。田永君及其合作者对共价材料的硬化机制进行了系统研究，建立了硬化的理论模型，发现多晶共价材料在纳米尺度可持续硬化，突破了材料硬化的传统认识，为大幅度提高材料的硬度指明了全新的发展方向。在此基础上，提出了在金刚石和立方氮化硼两种超硬材料中形成超细纳米孪晶组织来获得超高性能的新思路。通过洋葱结构碳和氮化硼前驱体在高温高压下的直接相变，合成出超细纳米孪晶结构金刚石和立方氮化硼。纳米孪晶显微组织同时提高了两种材料的硬度、韧性和热稳定性。纳米孪晶金刚石的硬度和韧性高达天然金刚石的两倍，极大推动了高性能超硬材料领域的研究，有望带来加工业和高压科学的技术变革。

钠掺杂碲化铅热电材料的高压合成及性能研究

蔡博文, 李江华, 孙浩, 张隆, 徐波*, 胡文涛, 于栋利, 何巨龙, 赵智胜, 柳忠元, 田永君*

摘要: 尽管钠可以对碲化铅进行有效的p型掺杂, 但其较低的固溶度限制了对掺杂样品热电性能的全面优化. 本工作采用高压合成方法合成钠掺杂的碲化铅样品. 结构及成分分析表明样品具有典型的岩盐矿结构, 且钠的含量显著提高. 相应的, Na0.03Pb0.97Te样品的载流子浓度也提高至3.2×1020cm−3. 此外, 显微结构分析确认在高压合成样品的晶粒中形成了高密度的位错. 受益于增强的功率因数和大大抑制晶格热导率, Na0.03Pb0.97Te样品的热电优值达到1.7. 该工作展示了压力在合成碲化铅基热电材料中的优势.