276 GPa！燕山大学再次刷新世界硬度纪录！

科技 2025-01-06 15:12 山东

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世界纪录燕大创造

近日，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院士团队联合南京理工大学、宁波大学研究人员，在超硬材料领域再次实现重大突破，成功合成出硬度达276 GPa的超细纳米孪晶金刚石块材，刷新了材料硬度的世界纪录。相关研究以“Enhancing the hardness of diamond through twin refinement and interlocked twins”为题，于2025年1月3日在Nature Synthesis在线发表。论文链接：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00707-1。

图释：超细纳米孪晶金刚石的显微组织结构和维氏硬度。a) STEM明场像展示了样品的整体微观形貌，插图为统计获得的晶粒尺寸分布，平均晶粒尺寸为18 nm。b)高分辨TEM照片显示了样品中的特征孪晶结构：主图为占主导地位的互锁型孪晶，插图为局部区域观察到的贯穿型孪晶。c)基于位错模型计算的硬度随孪晶厚度的变化及实验测得的硬度数据，插图为超细纳米孪晶金刚石样品的光学照片。

作为自然界中最硬的材料，金刚石在机械加工、油气开采和地质勘探等领域有着广泛应用。单晶金刚石的硬度因晶体取向不同而异，介于60-120 GPa之间。长期以来，科研人员一直在探索如何合成出硬度更高的金刚石材料。晶粒细化作为提升金刚石硬度的经典方法，却在纳米尺度遇到了瓶颈：过高的晶界能量会促使晶粒长大，阻碍了进一步细化，从而限制了硬度的提升空间。

面对这一技术难题，田永君院士团队另辟蹊径，开创了孪晶细化的新途径。与传统晶界相比，孪晶界具有更低的界面能量，为材料的超细化提供了新的可能。团队前期研究已经证实这一方法的可行性——他们成功合成了平均孪晶厚度仅5纳米的金刚石块材，其硬度达到200 GPa，是天然金刚石的两倍。

在最新研究中，研究团队通过精确控制洋葱碳前驱体尺寸并进行高压相变，成功合成出具有突破性性能的超细纳米孪晶金刚石块材，块材平均晶粒尺寸18纳米，平均孪晶厚度仅2.3纳米，硬度高达276 GPa。通过电镜观察，他们发现样品中既有贯穿型孪晶，也有互锁型孪晶，其中互锁型孪晶占主导地位。对比实验进一步证实了这种结构的关键作用，用金刚石粉为原料制备的纳米晶金刚石，尽管晶粒同样细小（24纳米），但由于缺乏密集的互锁型孪晶结构，硬度仅为125 GPa。

这一突破不仅刷新了硬度纪录，更为突破共价材料硬度极限开辟了新思路。通过孪晶组织的细化和类型调控，研究团队开创了提升材料性能的新途径，这对超硬材料的未来研发具有重要指导意义。

该研究获得国家自然科学基金（52288102、52325203、52090020）、国家重点研发计划（2018YFA0703400、2023YFA1406200）、河北省自然科学基金（E2022203109、E2023203256、E2023203126）等项目资助。燕山大学应盼、李宝忠和马梦冬为共同第一作者，仝柯、赵智胜和徐波为通讯作者；潘益龙（宁波大学）和唐国栋（南京理工大学）为共同通讯作者。

来源：燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室燕山大学科学技术研究院

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