超硬材料號(hào)稱“工業(yè)的牙齒”，因其高硬度、高強(qiáng)度和耐腐蝕等優(yōu)異性能而廣泛應(yīng)用于刀刃鉆具、航空、海洋、核能等諸多極端環(huán)境領(lǐng)域。金剛石是目前公認(rèn)的最硬材料，雖有高硬度，但其熱與化學(xué)穩(wěn)定性差（在高溫下易于石墨化、易同氧與鐵等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）。碳化鎢能克服金剛石的這些固有缺點(diǎn)，在高速切割刀具方面被大量使用，但其硬度偏低。

東華大學(xué)理學(xué)院梁擁成教授、功能材料研究中心張國軍教授團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)等相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作，提出利用價(jià)電子成鍵軌道優(yōu)化填充能有效提升碳化物硬度的設(shè)計(jì)方法，成功制備出W1?xRexC（x=0.1~0.3)固溶體材料，納米壓痕與維氏硬度測(cè)量證實(shí)它們的硬度遠(yuǎn)高于碳化鎢，成為迄今最硬的過渡金屬碳化物材料，并揭示其高硬度的內(nèi)在物理機(jī)制。相關(guān)成果以《通過成鍵軌道優(yōu)化占據(jù)來提升過渡金屬單碳化物的硬度》（Enhanced Hardness in Transition Metal Monocarbides via Optimal Occupancy of Bonding Orbitals）為題，發(fā)表在國際期刊《美國化學(xué)會(huì)應(yīng)用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上。

此外，東華大學(xué)梁擁成教授、張國軍教授團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)、江蘇大學(xué)、上海大學(xué)、武漢大學(xué)、美國紐約州立大學(xué)(State University of New York)等單位科研人員合作，對(duì)過渡金屬化合物材料的新奇物性等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究：

       （1）發(fā)現(xiàn)過渡金屬單硼化物在價(jià)電子濃度為8個(gè)電子/分子時(shí)，它們呈現(xiàn)最高硬度，解釋了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)W0.5Ta0.5B的超高硬度，闡明了這類材料體系反常納尺度硬化的獨(dú)特機(jī)制，開辟了設(shè)計(jì)多功能材料的新方法。
       （2）發(fā)現(xiàn)一種全新的立方碳化錸，它同構(gòu)于氧化鈮結(jié)構(gòu)，這個(gè)新相能從立方氯化鈉結(jié)構(gòu)中有規(guī)律去掉四分之一的金屬與非金屬原子而獲得有序空位結(jié)構(gòu)。這種空位有序不僅恢復(fù)了碳化錸的穩(wěn)定性，而且誘使其反常高硬度特性。
       （3）鑒別四方tI26結(jié)構(gòu)是ScB12的熱力學(xué)基態(tài)，是YB12、ZrB12與HfB12的亞穩(wěn)定態(tài)；而立方cF52結(jié)構(gòu)是ScB12的亞穩(wěn)定態(tài)，是YB12、ZrB12與HfB12的熱力學(xué)基態(tài)。發(fā)現(xiàn)這兩種構(gòu)型的獨(dú)特性引起了金屬十二硼化物的多重功能性(即高硬度、低密度、優(yōu)良電導(dǎo)特性共存)；進(jìn)而揭示了它們穩(wěn)定性與功能性的電子起源。這些結(jié)果不僅有效解決了金屬十二硼化物長(zhǎng)期的結(jié)構(gòu)爭(zhēng)議，而且為它們多功能性提供了深入理解。
       （4）發(fā)現(xiàn)無機(jī)半導(dǎo)體Ag2S在壓力分別為7.5GPa與16GPa附近發(fā)生兩個(gè)對(duì)稱性不變的結(jié)構(gòu)相變，細(xì)致分析發(fā)現(xiàn)第一個(gè)結(jié)構(gòu)相變是由于Ag-S皺褶層在壓力作用下突然失穩(wěn)造成，伴隨著這個(gè)相變，體變模量隨壓力增加而增大，但剪切模量與硬度急劇降低，導(dǎo)致其Pugh模量急劇增加，即塑性增加，這種壓力誘使的高塑性也存在于Au2S與Cu2S中；第二個(gè)結(jié)構(gòu)相變是由于壓力驅(qū)使Ag2S從常規(guī)半導(dǎo)體向拓?fù)浣饘俚碾娮酉嘧兌鸬?。這些結(jié)果不僅揭示了這類無機(jī)半導(dǎo)體超高塑性的內(nèi)在機(jī)制，而且發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的拓?fù)浣饘佟?br/>       相關(guān)研究成果近年來陸續(xù)發(fā)表在國際期刊Nanoscale,Materials Today Physics,Chemistry of Materials和Physical Review B (Rapid Communications)上，東華大學(xué)作為第一單位，理學(xué)院梁擁成教授作為第一兼通訊作者。以上研究工作得到了中央高?；究蒲谢穑ń徊鎸W(xué)科重點(diǎn)、自由申請(qǐng)項(xiàng)目)、國家自然科學(xué)基金（重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目）、上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c23049

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.102.140101

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.8b04776

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529318301160

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/nr/c7nr02377d#!divAbstract