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，刷新材料硬(ying)度世界紀錄。相關研究于1月3日在《自(zi)然·合(he)成》(Nature Synthesis)發表(biao)。

       金剛石是自然界中(zhong)最硬的(de)材料，在(zai)機械加工、油(you)氣(qi)開采和地質(zhi)勘(kan)探等領域應(ying)用(yong)廣泛。單晶金剛石的(de)硬度因(yin)晶體取(qu)向(xiang)不同而異，介(jie)于(yu)60GPa—120GPa之間(jian)。長期以來，科研人員(yuan)一直在(zai)探索(suo)如何合(he)成硬度更高的(de)金剛石材料。

       晶粒(li)細化(hua)(hua)是(shi)提升金剛石硬度的(de)經典方法，但(dan)過高的(de)晶界能量會(hui)促使晶粒(li)長大(da)，阻礙晶粒(li)進一步細化(hua)(hua)，從(cong)而限制硬度提升空間(jian)。面對這一技術難(nan)題，田永君(jun)院士團隊開創了孿晶細化(hua)(hua)的(de)新途徑。

       在最新(xin)研究(jiu)(jiu)中，研究(jiu)(jiu)團隊(dui)通(tong)過精確控制洋蔥碳前驅體尺寸(cun)并進行高壓相變，成功(gong)合成出具有突(tu)(tu)破性(xing)性(xing)能的超(chao)(chao)細納(na)米(mi)孿晶(jing)(jing)(jing)金剛(gang)石(shi)塊材(cai)：平均(jun)晶(jing)(jing)(jing)粒尺寸(cun)18納(na)米(mi)，平均(jun)孿晶(jing)(jing)(jing)厚度(du)僅2.3納(na)米(mi)，硬(ying)度(du)高達(da)276GPa。通(tong)過電鏡觀察，他們發現樣品中既有貫穿(chuan)型(xing)孿晶(jing)(jing)(jing)，也(ye)有互鎖(suo)型(xing)孿晶(jing)(jing)(jing)，其中互鎖(suo)型(xing)孿晶(jing)(jing)(jing)占(zhan)主導地位。對比實(shi)驗進一步證實(shi)了這種結構的關鍵(jian)作用，用金剛(gang)石(shi)粉(fen)為原料(liao)制備的納(na)米(mi)晶(jing)(jing)(jing)金剛(gang)石(shi)，盡管晶(jing)(jing)(jing)粒同樣細小(24納(na)米(mi))，但由于缺乏密集(ji)的互鎖(suo)型(xing)孿晶(jing)(jing)(jing)結構，硬(ying)度(du)僅為125GPa。這一突(tu)(tu)破為超(chao)(chao)硬(ying)材(cai)料(liao)未(wei)來研發奠定了重要(yao)理論(lun)基礎和技術支撐。