Using submicron cubic boron nitride (cBN) powder as a starting material, polycrystalline cBN (PcBN) samples without additives were sintered from 8.0–14.0 GPa at 1750 °C, and their sintering behaviour and mechanical properties were investigated. Transmission electron microscopy analysis showed that high-density nanotwins could be generated from common submicron cBN grains during high pressure and high temperature treatment. The dislocation glide and (111) mechanical micro-twinning are the main mechanisms that underlie plastic deformation in the sintering process, and this contributes to the grain refinement. A refinement in the grain size (∼120 nm), micro-defect (nanotwin and stacking faults), and strong covalent bonding between the grains are crucial for improving the sample mechanical properties. The PcBN sintered at 11.0 GPa/1750 °C possessed outstanding mechanical properties, including a high Vickers hardness (∼72 GPa), fracture toughness (∼12.4 MPam1/2), and thermal stability (∼1273 °C in air).

1.
F. P.
Bundy
and
R. H.
Wentorf
,
J. Chem. Phys.
38
,
1144
(
1963
).
2.
K. S.
Neo
,
M.
Rahman
,
X. P.
Li
,
H. H.
Khoo
,
M.
Sawa
, and
Y.
Maeda
,
J. Mater. Process. Technol.
140
,
326
(
2003
).
3.
N.
Tan
,
C. J.
Liu
,
Y. J.
Li
,
Y. W.
Dou
,
H. K.
Wang
,
H.
Ma
,
Z. L.
Kou
, and
D. W.
He
,
Eur. Phys. J.: Appl. Phys.
53
,
11501
(
2011
).
4.
H.
Sumiya
and
K.
Harano
,
SEI. Technol. Rev.
82
,
21
(
2016
).
5.
E. O.
Hall
,
Proc. Phys. Soc. B
64
,
747
(
1951
).
6.
N. J.
Petch
,
J. Iron Steel Inst., London
174
,
25
(
1953
).
7.
S. N.
Dub
and
I. A.
Petrusha
,
High Pressure Res.
26
,
71
(
2006
).
8.
N.
Dubrovinskaia
,
V. L.
Solozhenko
,
N.
Miyajima
,
V.
Dmitriev
,
O. O.
Kurakevych
, and
L.
Dubrovinsky
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
101912
(
2007
).
9.
V. L.
Solozhenko
,
O. O.
Kurakevych
, and
Y.
Le Godec
,
Adv. Mater.
24
,
1540
(
2012
).
10.
H.
Sumiya
,
K.
Harano
, and
Y.
Ishida
,
Diamond Relat. Mater.
41
,
14
(
2014
).
11.
Y. J.
Tian
,
B.
Xu
,
D. L.
Yu
,
Y. M.
Ma
,
Y. B.
Wang
,
Y. B.
Jiang
,
W. T.
Hu
,
C. C.
Tang
,
Y. F.
Gao
,
K.
Luo
 et al.,
Nature
493
,
385
(
2013
).
12.
D. J.
Ma
,
Z. L.
Kou
,
Y. J.
Liu
,
Y. K.
Wang
,
S. P.
Gao
,
X.
Luo
,
W. T.
Li
,
Y. H.
Wang
,
Y. C.
Du
, and
L.
Lei
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
54
,
427
(
2016
).
13.
C. L.
Chen
,
R.
Huang
,
Z. C.
Wang
,
N.
Shibata
,
T.
Taniguchi
, and
Y.
Ikuhara
,
Diamond Relat. Mater.
32
,
27
(
2013
).
14.
L.
Lu
,
X.
Chen
,
X.
Huang
, and
K.
Lu
,
Science
323
,
607
(
2009
).
15.
G. D.
Liu
,
Z. L.
Kou
,
X. Z.
Yan
,
L.
Lei
,
F.
Peng
,
Q. M.
Wang
,
K. X.
Wang
,
P.
Wang
,
L.
Li
,
Y.
Li
,
W. T.
Li
,
Y. H.
Wang
,
Y.
Bi
,
Y.
Leng
, and
D. W.
He
,
Appl. Appl. Phys. Lett.
106
,
121901
(
2015
).
16.
X. C.
Liu
,
H.
Zhang
, and
K.
Lu
,
Science
342
,
337
(
2013
).
17.
W.
Wang
,
D.
He
,
M.
Tang
,
F.
Li
,
L.
Liu
, and
Y.
Bi
,
Diamond Relat. Mater.
27
,
49
(
2012
).
18.
C.
Xu
,
D. W.
He
,
H. K.
Wang
,
J. W.
Guan
,
C. M.
Liu
,
F.
Peng
,
W. D.
Wang
,
Z. L.
Kou
,
K.
He
,
X. Z.
Yan
,
Y.
Bi
,
L.
Liu
,
F. J.
Li
, and
B.
Hui
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
36
,
232
(
2013
).
19.
R. H.
Wentorf
,
R. C.
De Vries
, and
F. P.
Bundy
,
Science
208
,
873
(
1980
).
20.
V. L.
Solozhenko
,
S. N.
Dub
, and
N. V.
Novikov
,
Diamond Relat. Mater.
10
,
2228
(
2001
).
21.
P.
Wang
,
D. W.
He
,
L. P.
Wang
,
Z. L.
Kou
,
Y.
Li
,
L.
Xiong
,
Q. W.
Hu
,
C.
Xu
,
L.
Lei
,
Q. M.
Wang
,
J.
Liu
, and
Y. S.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
101901
(
2015
).
22.
Q.
Huang
,
D. L.
Yu
,
B.
Xu
,
W. T.
Hu
,
Y. M.
Ma
,
Y. B.
Wang
,
Z. S.
Zhao
,
B.
Wen
,
J. L.
He
,
Z. Y.
Liu
, and
Y. J.
Tian
,
Nature
510
,
250
(
2014
).
23.
V. F.
Britun
,
G. S.
Oleynik
, and
N. P.
Semenenko
,
J. Mater. Sci.
27
,
4472
(
1992
).
24.
G. S.
Bobrovnitchii
,
O. S.
Osipov
, and
M.
Filgueira
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
21
,
251
(
2003
).
25.
K.
Lu
,
L.
Lu
, and
S.
Suresh
,
Science
324
,
349
(
2009
).
26.
H.
Sumiya
and
T.
Irifune
,
J. Mater. Res.
22
,
2345
(
2007
).
27.
A.
Datta
,
A.
Srirangarajan
,
U. V.
Waghmare
,
U.
Ramamurty
, and
A. C.
To
,
Comput. Mater. Sci.
50
,
3342
(
2011
).
28.
X. L.
Wu
,
X. Z.
Liao
,
S. G.
Srinivasan
,
F.
Zhou
,
E. J.
Lavernia
,
R. Z.
Valiev
, and
Y. T.
Zhu
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
095701
(
2008
).
29.
X. Z.
Liao
,
F.
Zhou
,
E. J.
Lavernia
,
D. W.
He
, and
Y. T.
Zhu
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
5062
(
2003
).
30.
X. H.
Yu
,
P.
Raterron
,
J. Z.
Zhang
,
Z. J.
Lin
,
L. P.
Wang
, and
Y. S.
Zhao
,
Sci. Rep.
2
,
876
(
2012
).
31.
C. A.
Brookes
,
R. M.
Hooper
, and
W. A.
Lambert
,
Philo. Mag. A.
47
,
L9
(
1983
).
32.
F. M.
Liu
,
D. W.
He
,
P. P.
Liu
,
H. K.
Wang
,
C.
Xu
,
S.
Yin
,
W. W.
Yin
, and
Y.
Li
,
J. Appl. Phys.
114
,
233504
(
2013
).
33.
W.
Ji
,
S. S.
Rehman
,
W. M.
Wang
,
H.
Wang
,
Y. C.
Wang
,
J. Y.
Zhang
,
F.
Zhang
, and
Z. Y.
Fu
,
Sci. Rep.
5
,
15827
(
2015
).
34.
B.
Xu
and
Y. J.
Tian
,
J. Phys. Chem. C.
119
,
5633
(
2015
).
35.
E. J.
Brookes
,
J. D.
Comins
,
R. D.
Daniel
, and
R. M.
Erasmus
,
Diamond Relat. Mater.
9
,
1115
(
2000
).
36.
Y. J.
Tian
,
B.
Xu
, and
Z. S.
Zhao
,
Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
33
,
93
(
2012
).
37.
F. M.
Gao
,
J. L.
He
,
E. D.
Wu
,
S. M.
Liu
,
D. L.
Yu
,
D. C.
Li
,
S. Y.
Zhang
, and
Y. J.
Tian
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
015502
(
2003
).
38.
S. J.
Zheng
,
R. F.
Zhang
,
R.
Huang
,
T.
Taniguchi
,
X. L.
Ma
,
Y.
Ikuhara
, and
I. J.
Beyerlein
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
081901
(
2016
).
39.
C. A. M.
Casanova
,
N. M.
Balzaretti
,
G.
Voronin
, and
J.
Da Jornada
,
Diamond Relat. Mater.
8
,
1451
(
1999
).
You do not currently have access to this content.