【新聞中心訊】在國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃的支持下，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君教授團(tuán)隊與北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院郭林教授團(tuán)隊等通力合作，揭示了室溫下納米孿晶金剛石復(fù)合材料裂紋的自修復(fù)行為。這一重大發(fā)現(xiàn)突破了人們對金剛石材料的傳統(tǒng)認(rèn)識，相關(guān)成果于2023年9月21日在線發(fā)表于Nature Materials（文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01656-4，Self-healing of fractured diamond）。

2020年，燕山大學(xué)與北京航空航天大學(xué)等合作單位共同提出了一種金剛石增韌的創(chuàng)新方法，通過多級結(jié)構(gòu)調(diào)控，成功合成了一種金剛石復(fù)合材料。這種材料由共格的金剛石多型體、交織的3C金剛石納米孿晶和互鎖的金剛石納米晶粒自下而上組裝而成。通過這種全新的顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計，材料在保持200GPa硬度的同時，納米孿晶增韌、層疊復(fù)合增韌和相變增韌等機(jī)制協(xié)同作用，將金剛石材料的斷裂韌性提高到26.6MPa×m^0.5，約為合成金剛石的5倍，高于鎂合金，與鋁合金相當(dāng)。這一成果2020年發(fā)表在《自然》雜志上（Nature 2020, 582, 370-374）。研究人員在納米孿晶金剛石復(fù)合材料斷裂韌性的表征過程中，首次觀察到了試樣中裂紋的自愈合現(xiàn)象。

燕山大學(xué)團(tuán)隊與北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊對納米孿晶金剛石復(fù)合材料裂紋的自愈合行為開展了深入研究，采用原位掃描電鏡和透射電鏡力學(xué)測試方法，從介觀到微觀再到原子尺度，系統(tǒng)地表征了納米孿晶金剛石復(fù)合材料自愈合行為，并進(jìn)行了單晶金剛石對照實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果顯示，在無外部壓力的情況下，室溫下完全斷裂的納米孿晶金剛石復(fù)合材料表現(xiàn)出卓越的裂紋自修復(fù)能力，其自愈合效率約為34%，明顯高于單晶金剛石的6.7%(圖1)。原子分辨的原位觀察揭示，納米孿晶復(fù)合材料在斷口表面形成了sp²和sp³混合雜化的非晶碳組織（圖2），這些碳原子在接觸后重新鍵合，從而實(shí)現(xiàn)了材料的自修復(fù)（圖3）。

這項(xiàng)工作為設(shè)計和開發(fā)高耐久性和抗斷裂的脆性陶瓷材料開辟了新途徑，同時也為強(qiáng)共價鍵自愈合材料的開發(fā)和使用提供了重要指導(dǎo)。燕山大學(xué)的聶安民和田永君、北京航空航天大學(xué)的岳永海和郭林為該文章的通訊作者。（編輯 岳睿燕）

圖1. 斷裂的ntDC/DSC的自修復(fù)行為的定量評估

圖2. 納米孿晶金剛石復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及其斷裂表面sp2和sp3混合雜化的非晶碳組織（DO）TEM圖

圖3. 原子相互作用力由排斥轉(zhuǎn)變?yōu)槲S后C-C重新成鍵