金剛石憑借其無與倫比的硬度、優(yōu)異的熱導率、寬帶隙和光學透明性，在精密加工、電子器件及光學領域備受矚目。然而，其固有的脆性和有限的韌性長期制約了其在抗沖擊、抗裂性需求場景中的應用拓展。近日，燕山大學亞穩(wěn)材料全國重點實驗室田永君院士團隊在頂級期刊《Nature Materials》發(fā)表題為《Microstructure engineering in diamond-based material》的綜述論文，系統(tǒng)總結了通過微結構工程設計提升金剛石及其衍生材料性能的最新突破，為下一代超硬材料技術發(fā)展指明方向。

       微結構工程破解性能瓶頸

       論文指出，基于高壓高溫（HPHT）技術及碳前驅體材料的創(chuàng)新選擇，研究團隊成功實現(xiàn)了金剛石微結構的精準調控，開發(fā)出納米孿晶金剛石、層級結構金剛石復合材料、石墨-金剛石雜化材料Gradia及非晶金剛石等系列創(chuàng)新材料（圖1）。這些突破性成果不僅顯著提升了金剛石的硬度和韌性，還賦予其多功能特性：

       硬度突破極限：通過晶粒和孿晶結構調控，利用Hall-Petch效應與量子限域效應，納米孿晶金剛石的維氏硬度達175-203 GPa，遠超傳統(tǒng)單晶金剛石；

       韌性協(xié)同提升：特殊界面結構和復合相設計破解了硬度與韌性難以兼得的難題，材料抗沖擊性與耐磨性實現(xiàn)跨越式突破；

       多功能拓展：低密度碳同素異形體（石墨、富勒烯等）在HPHT下轉化為新型金剛石基材料，為電學、光學性能調控提供新路徑。

圖1：不同低密度碳前驅物經HPHT合成的多樣化金剛石基材料微結構示意圖。

       新興現(xiàn)象與技術前瞻

       研究還揭示了金剛石基材料中非共格孿晶界演變、室溫自愈合等新現(xiàn)象，并展望了未來研究方向：

       大尺寸制備：開發(fā)直徑超3毫米的高質量納米孿晶金剛石，滿足金剛石壓砧裝置需求；

       理論極限探索：將孿晶厚度縮減至約0.618納米以逼近硬度極限；

       自愈合技術應用：探索該現(xiàn)象在陶瓷鍵合等領域的產業(yè)化潛力。

       引領超硬材料技術革命

       該綜述由燕山大學獨立完成，通訊作者為聶安民、趙智勝、徐波和田永君院士。研究獲國家自然科學基金（52288102、52090022）及河北省自然科學基金（E2024203054、E2022203109）支持。團隊通過HPHT技術與納米結構工程的深度融合，不僅為金剛石材料的高效應用提供新范式，更為電子、光學、極端環(huán)境裝備等領域的革命性技術突破奠定科學基礎。