近日，燕山大學(xué)實(shí)驗(yàn)室高壓科學(xué)中心田永君院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京理工大學(xué)、寧波大學(xué)的研究人員在超硬材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破：成功合成出硬度達(dá)276 GPa的超細(xì)納米孿晶金剛石塊材，刷新了材料硬度的世界紀(jì)錄。相關(guān)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(jī)械加工、油氣開采和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)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(xì)化作為提升金剛石硬度的經(jīng)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(jìn)一步細(xì)化，從而限制了硬度的提升空間。
面對這一技術(shù)難題，田永君院士團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開創(chuàng)了孿晶細(xì)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(xì)化提供了新的可能。團(tuán)隊(duì)前期研究已經(jīng)證實(shí)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(dá)到200 GPa，是天然金剛石的兩倍。
圖釋：超細(xì)納米孿晶金剛石的顯微組織結(jié)構(gòu)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(jì)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(jié)構(gòu)：主圖為占主導(dǎo)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(cuò)模型計(jì)算的硬度隨孿晶厚度的變化及實(shí)驗(yàn)測得的硬度數(shù)據(jù)，插圖為超細(xì)納米孿晶金剛石樣品的光學(xué)照片。
圖1: 洋蔥碳結(jié)構(gòu)onion-like carbon，OC前驅(qū)體表征。
圖2: 洋蔥碳結(jié)構(gòu)OC前驅(qū)體合成金剛石的顯微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和包含這些孿晶構(gòu)型的多晶金剛石模型示意圖。
在最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過精確控制洋蔥碳前驅(qū)體尺寸并進(jìn)行高壓相變，成功合成出具有突破性性能的超細(xì)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(dá)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(dǎo)地位。對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了這種結(jié)構(gòu)的關(guān)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(xì)小(24納米)，但由于缺乏密集的互鎖型孿晶結(jié)構(gòu)，硬度僅為125 GPa。
這一突破不僅刷新了硬度紀(jì)錄，更為突破共價(jià)材料硬度極限開辟了新思路。通過孿晶組織的細(xì)化和類型調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)意義。
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