维氏硬度大于40 GPa的材料被定义为超硬材料,具有高硬度、强耐磨性和强化学稳定性等优异性能,在工业加工、国防建设、仪器制造等领域具有不可替代的作用。已广泛应用的典型超硬材料有金刚石和立方氮化硼均存在一些缺陷,如金刚石的热稳定性较差,且易与铁基金属反应;立方氮化硼高温下易与水发生反应。研制新型超硬材料具有重要的应用价值和科学意义。B₄C是硬度仅次于超硬材料的硬质陶瓷材料,且具有低密度、耐酸碱和磨损、良好的热稳定性等优异性能,广泛应用于军事装甲、核电控制、工业加工等领域。如何提高B₄C的硬度,制备出新型多功能超硬材料的硬质陶瓷,一直是材料科学的研究热点。根据Hall-Petch效应,晶粒纳米化是提高材料硬度的有效手段。由于B₄C的自扩散系数低,制备致密化的纳米聚晶B₄C十分困难。本论文以高温高压实验手段,研究纳米聚晶B₄C的制备和硬度特性。该研究对拓展B₄C工业应用范围,理解纳米聚晶材料本征性质,均具有重要意义。本实验分别采用两种方法制备出纳米尺度的B₄C为前驱物,研究制备纳米聚晶B₄C及其力学特性。利用不同的前驱物,在高温高压条件下制备出晶粒尺寸从微米到纳米尺度的B₄C聚晶,并利用XRD、Raman、TEM、SEM、硬度和密度等测试测试手段研究其结构和性能,得到以下研究结果:1、高温高压下制备出微米级B₄C体材料,维氏硬度可高达35.6 GPa。在5万大气压强（GPa）、不同温度条件下制备出晶粒为微米量级B₄C聚晶,物性测试结果显示温度低于1800℃时,B₄C聚晶硬度随温度烧结升高而增大,并趋于一个定值,其致密性逐渐提高并接近理论密度;在1600℃时硬度达到峰值—35.6GPa,此时其致密度为99.2%;在2000℃以上烧结时,部分B₄C发生分解,有石墨相析出,导致聚晶致密性和硬度值降低。2、高压下二次烧结制备出含少量石墨的纳米聚晶B₄C,其硬度高达35.2GPa。以化学计量比的不同粒径石墨粉和100 nm硼粉为原料在不同高温高压条件下合成纳米B₄C,500 nm的石墨为原料时,在5 GPa、1900℃、60 min合成出的纳米聚晶B₄C粒径为500 nm;而30 nm的石墨为原料在5 GPa、1900℃、30 min即可合成出粒径为300 nm且硬度为27.1 GPa的纳米聚晶B₄C,该结果表明减小原料碳粉粒径,可能降低了B₄C合成的反应势垒,提高化学反应速度,可有效降低样品粒径。为进一步降低B₄C聚晶粒径,提高其致密性和硬度,以100 nm的硼粉和30 nm的石墨为原料在5 GPa、1600℃、30 min制备出粒径为50 nm且未完全反应的B₄C为前驱物。为使制备的50 nm的B₄C的反应更加充分并提高其致密度和硬度,在20 GPa、1600℃、60 min下对其进行二次烧结,制备出粒径为100 nm且含有少量石墨且硬度值高达35.2 GPa的纳米聚晶B₄C。3、在高压样品腔体中构建出剪切应力环境,并结合离心分离方法,成功制备出高纯度的纳米B₄C粉末。以微米级B₄C为原料,在准静水压的高压样品腔中放置高硬度单晶物质。在高压样品腔的压缩过程中,由于高硬度单晶弹性常数与B₄C的巨大差异导致压缩率差异,破坏加压过程中高压样品腔内部的准静水压环境,给高硬度单晶周围的B₄C提供剪切应力环境。利用此剪切力多次破碎微米级B₄C晶粒,B₄C的平均粒径随着压力加载次数的增加而减小。随后利用离心分离方法提取制备的纳米B₄C粉末,成功获得粒径分部均匀、并小于100 nm的B₄C粉末。4、利用制备的纳米B₄C粉末,制备出纳米聚晶B₄C。在20 GPa、1500℃、15 min条件下制得较纯的纳米聚晶B₄C,测得其硬度为30.6 GPa（4.9 N）,粒径增至150 nm。硬度偏低的主要原因是该原料制备的聚晶B₄C致密性较低。此结果说明,制备高致密性的纳米聚晶B₄C,可能需要更高的烧结条件,而过高的烧结温度又将导致晶粒长大。利用不同前驱物,在高温高压条件下成功制备出纳米聚晶B₄C,分析得到了烧结温度是影响聚晶粒径的主要因素。这些结果为制备B₄C纳米聚晶,提供了新的思路,也为研制新型超硬材料提供了新的数据。