近日,，燕山大學實驗室高壓科學中心田永君院士團隊聯(lián)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(xiàn)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(shù)據(jù),，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(shù)。
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(xiàn)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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