近日，燕山大學實驗室高壓科學中心田永君院士團隊聯合南京理工大學、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(cai)(cai)，刷新了材(cai)(cai)料硬度的世界紀錄。

       相關研(yan)究以“Enhancing the hardness of diamond through twin refinement and interlocked twins”為題，于2025年1月3日在(zai)Nature Synthesis在(zai)線發(fa)表。

       論文(wen)鏈接：

       金剛石(shi)是自然界中最硬(ying)的材料，在(zai)機械加工、油氣開采和地(di)質勘探等領域有著廣泛(fan)應用。單晶(jing)金剛石(shi)的硬(ying)度因晶(jing)體取向(xiang)不(bu)同而(er)(er)異(yi)，介于60-120 GPa之間。長(chang)期(qi)以來，科(ke)研人員一直在(zai)探索(suo)如何(he)合成出硬(ying)度更高(gao)的金剛石(shi)材料。晶(jing)粒細化(hua)作為(wei)提升金剛石(shi)硬(ying)度的經典方法(fa)，卻(que)在(zai)納米尺(chi)度遇到了(le)瓶頸：過(guo)高(gao)的晶(jing)界能量會(hui)促使(shi)晶(jing)粒長(chang)大，阻礙(ai)了(le)進一步細化(hua)，從(cong)而(er)(er)限制了(le)硬(ying)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，開創了孿晶細化的新途徑。與傳統晶界相比，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(ying)度達到200 GPa，是(shi)天然金(jin)剛石的(de)兩(liang)倍。

       在最新(xin)研究(jiu)(jiu)中，研究(jiu)(jiu)團隊通(tong)過精確控(kong)制(zhi)洋蔥碳(tan)前驅(qu)體尺(chi)寸并(bing)進行高壓相(xiang)變，成功(gong)合成出具有突破性(xing)性(xing)能(neng)的(de)超細(xi)納米(mi)孿晶(jing)金剛石(shi)塊材：平均晶(jing)粒尺(chi)寸18納米(mi)，平均孿晶(jing)厚度(du)僅2.3納米(mi)，硬度(du)高達276 GPa。通(tong)過電(dian)鏡觀(guan)察(cha)，他們(men)發現樣品中既有貫穿(chuan)型(xing)孿晶(jing)，也有互鎖型(xing)孿晶(jing)，其中互鎖型(xing)孿晶(jing)占主導地(di)位。對(dui)比實驗進一步(bu)證實了這(zhe)種(zhong)結構(gou)的(de)關鍵作用：用金剛石(shi)粉為原(yuan)料制(zhi)備的(de)納米(mi)晶(jing)金剛石(shi)，盡管晶(jing)粒同(tong)樣細(xi)小（24納米(mi)），但由于缺乏密集(ji)的(de)互鎖型(xing)孿晶(jing)結構(gou)，硬度(du)僅為125 GPa。

       這(zhe)一突(tu)破不僅刷(shua)新了(le)硬(ying)度紀錄，更為突(tu)破共價材(cai)(cai)料硬(ying)度極限開辟了(le)新思路。通過孿晶組織(zhi)的細(xi)化(hua)和類型調控，研(yan)(yan)究團隊開創了(le)提升材(cai)(cai)料性(xing)能的新途徑(jing)，這(zhe)對超硬(ying)材(cai)(cai)料的未來研(yan)(yan)發具(ju)有重要指導意義。

       該研究獲得國(guo)家(jia)自(zi)然(ran)科學(xue)基金(jin)（52288102、52325203、52090020）、國(guo)家(jia)重點研發計(ji)劃（2018YFA0703400、2023YFA1406200）、河北省自(zi)然(ran)科學(xue)基金(jin)（E2022203109、E2023203256、E2023203126）等(deng)項(xiang)目資助。燕(yan)山大(da)(da)學(xue)應盼、李寶忠和(he)馬(ma)夢冬為(wei)共(gong)同第一作(zuo)者(zhe)，仝柯、趙智勝和(he)徐波(bo)(bo)為(wei)通(tong)訊作(zuo)者(zhe)；潘益龍（寧波(bo)(bo)大(da)(da)學(xue)）和(he)唐國(guo)棟（南京理工(gong)大(da)(da)學(xue)）為(wei)共(gong)同通(tong)訊作(zuo)者(zhe)。

       圖(tu)釋：超(chao)細(xi)納米孿(luan)晶(jing)金剛(gang)石的(de)(de)(de)(de)顯(xian)微(wei)組(zu)織(zhi)結構(gou)和維氏硬度。a) STEM明場(chang)像展示了樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)(de)整體微(wei)觀形貌，插(cha)(cha)圖(tu)為統(tong)計獲得的(de)(de)(de)(de)晶(jing)粒尺寸(cun)分布(bu)，平均(jun)晶(jing)粒尺寸(cun)為18 nm。b) 高分辨TEM照(zhao)片顯(xian)示了樣(yang)品(pin)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)特(te)征孿(luan)晶(jing)結構(gou)：主圖(tu)為占主導地位(wei)的(de)(de)(de)(de)互鎖型孿(luan)晶(jing)，插(cha)(cha)圖(tu)為局部區域(yu)觀察到(dao)的(de)(de)(de)(de)貫穿型孿(luan)晶(jing)。c) 基于位(wei)錯模型計算(suan)的(de)(de)(de)(de)硬度隨孿(luan)晶(jing)厚度的(de)(de)(de)(de)變化及實驗測得的(de)(de)(de)(de)硬度數據，插(cha)(cha)圖(tu)為超(chao)細(xi)納米孿(luan)晶(jing)金剛(gang)石樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)(de)光學照(zhao)片。