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    我国学者在金刚石多型体和韧性研究领域取得进展

    日期 2020-06-19   来源:工程与材料科学部   作者:陈克新 熊杰  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:51922017、51525205、51532001)等资助下,燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君教授团队与北京航空航天大学化学学院郭林教授团队等单位的学者合作,成功截获多种金刚石多型体,并制备出了韧性优异的多级结构金刚石复合材料。研究成果以“具有优异韧性的多级结构金刚石复合材料(Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness)”为题,于2020年6月18日在线发表于《自然》(Nature)期刊上。论文链接为:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2361-2。

      金刚石是已知材料中脆性最大的无机晶体材料。如何协同提高其硬度和韧性一直是材料科学研究面临的重要挑战之一。燕山大学团队的前期研究已经证实,通过显微组织的纳米孪晶化可以协同提高金刚石的硬度和韧性:在维氏硬度提高到200GPa的同时,断裂韧性能够提高到与硬质合金相当的水平。

      该研究团队提出了金刚石增韧的新思路,制备出了一种具有多级结构特征的金刚石复合材料。该材料由金刚石多型体、交织的3C金刚石纳米孪晶和互锁的金刚石纳米晶粒分级组装而成。这种组织实现了纳米孪晶增韧、叠层复合增韧和相变增韧的协同,在保持200GPa维氏硬度的情况下,将纳米孪晶金刚石的断裂韧性提高到26.6 MPa m0.5,该值约为人工合成金刚石断裂韧性的5倍,已高于镁合金、与铝合金的断裂韧性相当。

      本工作不仅实验确认了2H、4H、9R和15R四种sp3杂化金刚石多型体的存在,而且发现的协同增韧机制,为发展高韧性超硬材料和工程陶瓷提供了新的途径。

    图1. 纳米孪晶金刚石复合材料的HAADF-STEM像(图中3C代表立方结构金刚石,2H、4H、9R和15R分别代表立方结构金刚石的4种多型体)

    图2. 纳米孪晶金刚石复合材料和典型工程材料的硬度和断裂韧性




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