新型金属四硼化物（MB4，M=Cr,Mo,W）的理论设计和多尺度调控制备技术研究

The objective of our current efforts is to develop a multiscale understanding of transition metal tetraborides, MB4(M=Cr, Mo and W). Understanding the challenging scientific issues of these borides demands advanced computational and experimental approaches. Here novel use and applications of recently developed computational models enable the discovery of novel structures and their ideal strength and elastic properties at the atomic level. At the meantime, synthesis of the nano-scale, bulk or polycrystalline materials, single crystal and meta-stable phases is performed by the combination of mild-temperature ion-exchange and high-temperature and high-pressure experimental approaches. Using the various types of experimental approaches,e.g. in-situ XRD, SEM, TEM with EDS and EELS, DSC, we focus on the characterizations of phase stability and phase transformation, microstructural evolution and mechanical properties. The goal of this work is to provide the underpinning science and predictive models that govern the structural evolution, behavior of phase changes and even effects of defect, mechanical properties for future modification and manipulation the properties of materials.

本项目以过渡金属四硼化合物为研究对象，首先进行晶体结构设计与理想强度和弹性性质的预测，利用温和条件离子交换和高温高压合成手段制备过渡金属四硼化合物（MB4, M=Cr， Mo 和W），并进行多尺度（纳米晶和多晶、单晶以及亚稳相）的精细组织调控，运用原位XRD、SEM、TEM（HRTEM和EELS）、DSC等手段研究不同尺度下的结构和组织演化、稳定性及其在力学性能上的表现。综合分析、探索出提高硼化物力学性能的理论和技术，理解材料结构-组织演化-力学性质的关联机制，为改善和提高合金钢以及金属基合金的服役性能提供理论机制和新型技术。

过渡金属硼化物具有高硬度、高强度和非凡的化学惰性等优异物理和化学性能而应用广泛，但是这类材料的晶体结构和一些物理性能难以确定，因此开展详细的硼化物的研究工作具有重要的科学意义和潜在的应用价值。本项目理论上利用第一性原理计算结合晶体结构预测软件预测常压和高压下四硼化合物结构特点、原子排布、力学性能和电子键合特征，理解宏观性能产生的物理特征；实验上利用常压和高压手段制备不同尺度的四硼化合物，探索制备四硼化合物的新方法，揭示晶粒尺度对宏观力学性能的影响，获得提高材料力学性能的新途径，阐明材料本征结构-组织演化-力学性质的本质关联。. 通过课题组成员的共同努力，我们理解了CrB4在常压下的原子排布特点和力学、电子性质，预测了三种CrB4的高压相，获得了截然不同FeB4的结构演变、力学响应和电子结构特点；Mo-B晶体结构搜索获得了多种富硼化合物的高压相；W-B体系的晶体结构搜索解决了存在争议的实验上出现WBx相；同时对V-B体系、Co-B体系、Ru-B体系、Os-B体系、Rh-B体系、Ir-B体系，获得很多优秀力学性能的硼化物，理解了这类体系的结构特点和成键规律。实验上获得了多晶和小尺寸单晶CrB4；获得温和条件下纳米的Mo-B化合物，获得了多晶具有超硬超导性能的块体MoB4，同时发现了新的富硼相；在W-B体系中结合计算，准确确定了WB3.6的成分和硬度，解决了长期的争议。本项目提出的这种多角度的探索硼化物的方法将有助于了解决定硼化物本质力学性质的基础科学问题，同时本项目开展的结构与功能的深入研究具有重要的理论研究意义和潜在的应用价值。

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