【新聞中心訊】近期，燕山大學(xué)田永君教授、清華大學(xué)姜開利教授等共同設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，姜開利教授團(tuán)隊(duì)提供了超順排多壁碳納米管前驅(qū)體，田永君教授團(tuán)隊(duì)完成了金剛石材料的高溫高壓合成及力學(xué)性能表征。研究成果以Extreme mechanical anisotropy in diamond with preferentially oriented nanotwin bundles（具有極大力學(xué)性能各向異性的擇優(yōu)取向?qū)\晶結(jié)構(gòu)金剛石）為題，11月15日在線發(fā)表于PNAS。

金剛石由于優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域，如何進(jìn)一步調(diào)控其力學(xué)性能一直是材料科學(xué)研究中的重要挑戰(zhàn)之一。燕山大學(xué)田永君教授團(tuán)隊(duì)在以往的研究中創(chuàng)新性地將高密度納米孿晶、金剛石多型體等顯微組織引入金剛石晶粒內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了金剛石塊材硬度、韌性和熱穩(wěn)定性的全面提升。

田永君教授團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)姜開利教授團(tuán)隊(duì)合作提出了調(diào)控金剛石力學(xué)性能的新思路。研究團(tuán)隊(duì)選用超順排多壁碳納米管為前驅(qū)體，在高溫高壓條件下合成出具有擇優(yōu)取向的納米孿晶金剛石塊材。塊材中，擇優(yōu)取向的納米孿晶束長度為2-10 μm、寬度約為200 nm，與超順排多壁碳納米管束前驅(qū)體尺寸一致；平均孿晶厚度低至2.9 nm。這種獨(dú)特的顯微結(jié)構(gòu)不僅為金剛石塊材帶來極大的力學(xué)性能各向異性，還實(shí)現(xiàn)了金剛石硬度值的新突破。努氏硬度測試表明在沿孿晶取向方向和垂直孿晶取向方向上，塊材的硬度分別為129 ± 9 GPa和233 ± 8 GPa。此外，在上述兩個(gè)方向上裂紋擴(kuò)展也顯示出明顯的各向異性。分子動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)一步證實(shí)，垂直孿晶取向的努氏壓頭在加載過程中產(chǎn)生位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到孿晶界更大的阻礙，理論模擬得到的硬度隨測量方向的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)觀測的結(jié)果一致。

初始超順排多壁碳納米管(A)和高溫高壓相變后的擇優(yōu)取向納米孿晶金剛石塊材(B)的顯微組織結(jié)構(gòu)

擇優(yōu)取向納米孿晶金剛石塊材的硬度

（左：各向異性；右：硬度與顯微組織特征尺寸的關(guān)系）

（以上照片由亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供）

研究結(jié)果表明，在晶粒大小、孿晶厚度之外，孿晶取向也會對金剛石材料的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。本研究加深了人們對共價(jià)材料體系中孿晶增強(qiáng)增韌機(jī)制的理解，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)合成高性能納米孿晶共價(jià)材料提供了重要指導(dǎo)。

該工作獲得了國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：52090020、U20A20238、51772260、91963203、51722209、51525205）和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號：2018YFA0703400、2018YFA0305900、2018YFA0208400）的資助。本工作共同第一作者為潘益龍、應(yīng)盼、高宇飛和柳鵬，通訊作者為趙智勝、仝柯和徐波。（編輯 李佳奇）

（PNAS鏈接：https://www.pnas.org/content/118/47/e2108340118）