近日，燕山大學實驗室高壓科學中心田永君院士團隊聯合南京理工大學、寧波大學的研究人員在超硬材料領域實現重大突破：成功合成出硬度達276 GPa的超細納米孿晶金剛石塊材，刷新了材料硬度的世界紀錄。相關研究以“Enhancing the hardness of diamond through twin refinement and interlocked twins"為題。
金剛石是自然界中最硬的材料，在機械加工、油氣開采和地質勘探等領域有著廣泛應用。單晶金剛石的硬度因晶體取向不同而異，介于60-120 GPa之間。長期以來，科研人員一直在探索如何合成出硬度更高的金剛石材料。晶粒細化作為提升金剛石硬度的經典方法，卻在納米尺度遇到了瓶頸：過高的晶界能量會促使晶粒長大，阻礙了進一步細化，從而限制了硬度的提升空間。
面對這一技術難題，田永君院士團隊另辟蹊徑，開創(chuàng)了孿晶細化的新途徑。與傳統(tǒng)晶界相比，孿晶界具有更低的界面能量，為材料的超細化提供了新的可能。團隊前期研究已經證實這一方法的可行性——他們成功合成了平均孿晶厚度僅5納米的金剛石塊材，其硬度達到200 GPa，是天然金剛石的兩倍。
圖釋：超細納米孿晶金剛石的顯微組織結構和維氏硬度。a) STEM明場像展示了樣品的整體微觀形貌，插圖為統(tǒng)計獲得的晶粒尺寸分布，平均晶粒尺寸為18 nm。b) 高分辨TEM照片顯示了樣品中的特征孿晶結構：主圖為占主導地位的互鎖型孿晶，插圖為局部區(qū)域觀察到的貫穿型孿晶。c) 基于位錯模型計算的硬度隨孿晶厚度的變化及實驗測得的硬度數據，插圖為超細納米孿晶金剛石樣品的光學照片。
圖1: 洋蔥碳結構onion-like carbon，OC前驅體表征。
圖2: 洋蔥碳結構OC前驅體合成金剛石的顯微結構分析。
圖3: 硬度作為金剛石孿晶厚度的函數。
圖4: 典型孿晶結構和包含這些孿晶構型的多晶金剛石模型示意圖。
在最新研究中，研究團隊通過精確控制洋蔥碳前驅體尺寸并進行高壓相變，成功合成出具有突破性性能的超細納米孿晶金剛石塊材：平均晶粒尺寸18納米，平均孿晶厚度僅2.3納米，硬度高達276 GPa。通過電鏡觀察，他們發(fā)現樣品中既有貫穿型孿晶，也有互鎖型孿晶，其中互鎖型孿晶占主導地位。對比實驗進一步證實了這種結構的關鍵作用：用金剛石粉為原料制備的納米晶金剛石，盡管晶粒同樣細小(24納米)，但由于缺乏密集的互鎖型孿晶結構，硬度僅為125 GPa。
這一突破不僅刷新了硬度紀錄，更為突破共價材料硬度極限開辟了新思路。通過孿晶組織的細化和類型調控，研究團隊開創(chuàng)了提升材料性能的新途徑，這對超硬材料的未來研發(fā)具有重要指導意義。
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參考文獻： 中國光學期刊網
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