近日，燕山大學(xué)田永君院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京理工大學(xué)、寧波大學(xué)研究人員成功合成硬度達(dá)276GPa的超細(xì)納米孿晶金剛石塊材，刷新材料硬度世界紀(jì)錄。相關(guān)研究于1月3日在《自然·合成》(Nature Synthesis)發(fā)表。

       金剛石是自然界中最硬的材料，在機(jī)械加工、油氣開(kāi)采和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。單晶金剛石的硬度因晶體取向不同而異，介于60GPa—120GPa之間。長(zhǎng)期以來(lái)，科研人員一直在探索如何合成硬度更高的金剛石材料。

       晶粒細(xì)化是提升金剛石硬度的經(jīng)典方法，但過(guò)高的晶界能量會(huì)促使晶粒長(zhǎng)大，阻礙晶粒進(jìn)一步細(xì)化，從而限制硬度提升空間。面對(duì)這一技術(shù)難題，田永君院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)了孿晶細(xì)化的新途徑。

       在最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確控制洋蔥碳前驅(qū)體尺寸并進(jìn)行高壓相變，成功合成出具有突破性性能的超細(xì)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(dá)276GPa。通過(guò)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(dǎo)地位。對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)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(xì)小(24納米)，但由于缺乏密集的互鎖型孿晶結(jié)構(gòu)，硬度僅為125GPa。這一突破為超硬材料未來(lái)研發(fā)奠定了重要理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。