【资讯】超细纳米孪晶金刚石块材 | Nature Synthesis

　　近日，燕山大学实验室高压科学中心田永君院士团队联合南京理工大学、宁波大学的研究人员在超硬材料领域实现重大突破：成功合成出硬度达276 GPa的超细纳米孪晶金刚石块材，刷新了材料硬度的世界纪录。相关研究以“Enhancing the hardness of diamond through twin refinement and interlocked twins"为题。

　　金刚石是自然界中最硬的材料，在机械加工、油气开采和地质勘探等领域有着广泛应用。单晶金刚石的硬度因晶体取向不同而异，介于60-120 GPa之间。长期以来，科研人员一直在探索如何合成出硬度更高的金刚石材料。晶粒细化作为提升金刚石硬度的经典方法，却在纳米尺度遇到了瓶颈：过高的晶界能量会促使晶粒长大，阻碍了进一步细化，从而限制了硬度的提升空间。

　　面对这一技术难题，田永君院士团队另辟蹊径，开创了孪晶细化的新途径。与传统晶界相比，孪晶界具有更低的界面能量，为材料的超细化提供了新的可能。团队前期研究已经证实这一方法的可行性——他们成功合成了平均孪晶厚度仅5纳米的金刚石块材，其硬度达到200 GPa，是天然金刚石的两倍。

　　图释：超细纳米孪晶金刚石的显微组织结构和维氏硬度。a) STEM明场像展示了样品的整体微观形貌，插图为统计获得的晶粒尺寸分布，平均晶粒尺寸为18 nm。b) 高分辨TEM照片显示了样品中的特征孪晶结构：主图为占主导地位的互锁型孪晶，插图为局部区域观察到的贯穿型孪晶。c) 基于位错模型计算的硬度随孪晶厚度的变化及实验测得的硬度数据，插图为超细纳米孪晶金刚石样品的光学照片。

　　图1: 洋葱碳结构onion-like carbon，OC前驱体表征。

　　图2: 洋葱碳结构OC前驱体合成金刚石的显微结构分析。

　　图3: 硬度作为金刚石孪晶厚度的函数。

　　图4: 典型孪晶结构和包含这些孪晶构型的多晶金刚石模型示意图。

　　在最新研究中，研究团队通过精确控制洋葱碳前驱体尺寸并进行高压相变，成功合成出具有突破性性能的超细纳米孪晶金刚石块材：平均晶粒尺寸18纳米，平均孪晶厚度仅2.3纳米，硬度高达276 GPa。通过电镜观察，他们发现样品中既有贯穿型孪晶，也有互锁型孪晶，其中互锁型孪晶占主导地位。对比实验进一步证实了这种结构的关键作用：用金刚石粉为原料制备的纳米晶金刚石，尽管晶粒同样细小(24纳米)，但由于缺乏密集的互锁型孪晶结构，硬度仅为125 GPa。

　　这一突破不仅刷新了硬度纪录，更为突破共价材料硬度极限开辟了新思路。通过孪晶组织的细化和类型调控，研究团队开创了提升材料性能的新途径，这对超硬材料的未来研发具有重要指导意义。

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　　参考文献： 中国光学期刊网

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