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(lǐng)域?qū)崿F(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(guān)研究以“Enhancing the hardness of diamond through twin refinement and interlocked twins”為題，于2025年1月3日在Nature Synthesis在線發(fā)表。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00707-1。

       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(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，阻礙了進一步細化，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(jīng)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。

       在最新研究中，研究團隊通過精確控制洋蔥碳前驅(qū)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(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?。?4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(diào)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。

       該研究獲得國家自然科學基金（52288102、52325203、52090020）、國家重點研發(fā)計劃（2018YFA0703400、2023YFA1406200）、河北省自然科學基金（E2022203109、E2023203256、E2023203126）等項目資助。燕山大學應(yīng)盼、李寶忠和馬夢冬為共同第一作者，仝柯、趙智勝和徐波為通訊作者；潘益龍（寧波大學）和唐國棟（南京理工大學）為共同通訊作者。

       圖釋：超細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。

       附：圖文導讀

       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。

       文獻鏈接

       Ying, P., Li, B., Ma, M. et al. Enhancing the hardness of diamond through twin refinement and interlocked twins. Nat. Synth (2025).

       https://doi.org/10.1038/s44160-024-00707-1

       https://www.nature.com/articles/s44160-024-00707-1