近日，燕山大學田永君院士團隊聯合南京理工大學、寧波大學研究人員成功合成硬度達276GPa的超細納米孿晶金剛石塊材(cai)，刷新材(cai)料硬度(du)世(shi)界紀錄。相(xiang)關(guan)研究于1月3日在《自然(ran)·合成》(Nature Synthesis)發表。

       金(jin)剛(gang)(gang)石是(shi)自然界中(zhong)最硬(ying)(ying)的材料，在機械加工、油氣開(kai)采和地質勘探等領域應用(yong)廣泛。單晶金(jin)剛(gang)(gang)石的硬(ying)(ying)度(du)因晶體取向不同(tong)而異，介于60GPa—120GPa之間(jian)。長期以來，科研人員一直在探索如何合(he)成硬(ying)(ying)度(du)更高的金(jin)剛(gang)(gang)石材料。

       晶粒(li)(li)細(xi)(xi)化(hua)是提(ti)升金剛石硬(ying)度的經(jing)典方(fang)法(fa)，但(dan)過高的晶界能量會促使晶粒(li)(li)長大，阻礙晶粒(li)(li)進(jin)一(yi)步細(xi)(xi)化(hua)，從而限制(zhi)硬(ying)度提(ti)升空間。面對這一(yi)技術(shu)難題，田永君院士團隊(dui)開(kai)創了孿晶細(xi)(xi)化(hua)的新(xin)途(tu)徑。

       在最新研究中，研究團隊通(tong)過(guo)精確控制(zhi)洋蔥碳前驅體尺寸并進行高壓相變，成功合(he)成出具(ju)有(you)突破(po)(po)性性能(neng)的(de)超細(xi)納(na)米(mi)孿(luan)(luan)(luan)晶(jing)(jing)金剛石(shi)塊材：平均晶(jing)(jing)粒(li)尺寸18納(na)米(mi)，平均孿(luan)(luan)(luan)晶(jing)(jing)厚度(du)僅(jin)2.3納(na)米(mi)，硬度(du)高達276GPa。通(tong)過(guo)電鏡觀察，他們發現樣品中既有(you)貫(guan)穿(chuan)型(xing)孿(luan)(luan)(luan)晶(jing)(jing)，也有(you)互鎖(suo)(suo)型(xing)孿(luan)(luan)(luan)晶(jing)(jing)，其中互鎖(suo)(suo)型(xing)孿(luan)(luan)(luan)晶(jing)(jing)占主導地位(wei)。對(dui)比實(shi)驗進一步(bu)證(zheng)實(shi)了(le)這種結構(gou)的(de)關鍵(jian)作(zuo)用，用金剛石(shi)粉為(wei)原料制(zhi)備(bei)的(de)納(na)米(mi)晶(jing)(jing)金剛石(shi)，盡管晶(jing)(jing)粒(li)同樣細(xi)小(xiao)(24納(na)米(mi))，但由于缺乏密集的(de)互鎖(suo)(suo)型(xing)孿(luan)(luan)(luan)晶(jing)(jing)結構(gou)，硬度(du)僅(jin)為(wei)125GPa。這一突破(po)(po)為(wei)超硬材料未來(lai)研發奠定(ding)了(le)重(zhong)要理(li)論基礎和(he)技術支撐。