摘  要

       以往研究發(fā)現(xiàn)，納米多晶金剛石的硬度可超越單晶金剛石，因此利用石墨制備納米多晶金剛石獲得了廣泛研究。然而，由石墨碳源制備的金剛石同時具有均勻精細(xì)結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)，其形成機(jī)理尚未獲得很好的理解。為此，針對不同層間距的石墨，進(jìn)行了一系列分子動力學(xué)模擬。研究發(fā)現(xiàn)，不同受壓情況下石墨存在不同的相變行為，即在馬氏體轉(zhuǎn)變下獲得片層狀金剛石，而在擴(kuò)散型相變下獲得無特定取向的精細(xì)納米金剛石。在靜水壓條件下，或者[002]方向上的壓力大于橫向壓力且石墨層滑移不受限時，石墨將轉(zhuǎn)化為層狀結(jié)構(gòu)立方金剛石；當(dāng)[002]方向上的壓力大于橫向壓力，但石墨層橫向滑移受阻時，石墨轉(zhuǎn)化為多晶六方和立方金剛石混合物；當(dāng)最大壓力方向在[210]或[010]方向時，石墨轉(zhuǎn)化為無特定取向的均勻多晶金剛石。通過原子運(yùn)動的微觀尺度分析，揭示了由石墨制備的納米多晶金剛石同時具有均勻精細(xì)結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)的機(jī)理，有望為大規(guī)模合成超硬納米多晶金剛石提供理論支持?！?/p>

       關(guān)鍵詞：納米多晶，金剛石，石墨，相變，分子動力學(xué)，高溫高壓

        圖  3  3類受壓情況下的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線：(a) d=0.315 nm（類型Ⅰ，[210]為最大壓力方向）；(b) d=0.260 nm，相變分兩階段進(jìn)行（第1階段中，[002]為最大壓力方向，屬于類型Ⅱ；第2階段中，[210]為最大壓力方向，屬于類型Ⅰ）；(c) d=0.228 nm（第1次相變?yōu)槭?金剛石相變，屬于類型Ⅲ，[002]方向?yàn)樽畲髩毫Ψ较?；?次相變?yōu)镠D-CD相變）

       圖  4  具有不同層間距的石墨在沿x軸（[210]方向）壓縮下的部分模擬結(jié)果（橙色原子屬于HD相，藍(lán)色原子屬于CD相，灰色原子屬于石墨或非晶相。層間距較大時，獲得晶粒較大的CD多晶，且層間距越大，晶粒越小；層間距較小時，獲得晶粒較小的金剛石多晶（HD和CD相混合），且層間距越小，晶粒越小 ）

       圖  5  3類受壓條件及靜水壓下石墨的結(jié)構(gòu)演化：(a) d=0.315 nm（類型Ⅰ），石墨層在壓力作用下發(fā)生屈曲，隨后多個位點(diǎn)相變?yōu)镃D；(b) d=0.260 nm，第1階段（類型Ⅱ）石墨發(fā)生馬氏體相變，生成層狀結(jié)構(gòu)CD，第2階段剩余石墨層傾斜并進(jìn)一步相變?yōu)镃D（類型Ⅰ）；(c) d=0.228 nm（類型Ⅲ），多個位點(diǎn)同時產(chǎn)生取向不一的HD核；(d) 靜水壓模擬結(jié)果

       同行評價

       本論文采用LAMMPS模擬軟件，基于分子動力學(xué)法，模擬了不同層間距的六方石墨在不同受壓情況下的相變行為。在原子運(yùn)動尺度揭示了多晶石墨制備納米多晶金剛石的微觀機(jī)理，對大規(guī)模合成納米聚晶金剛石提供了理論指導(dǎo)。文章整體邏輯清晰，工作量較為充足，具有較好的創(chuàng)新性，對金剛石合成有借鑒意義。