燕山大学再发《Nature》克服金刚石硬度和韧性之间的折衷

硬度和韧性（防止断裂）之间的平衡对材料性能提升至关重要，这一点在金刚石中体现得尤为明显。通过纳米构造策略既可以增加金刚石硬度，同时也可以韧化金刚石。为了进一步提高材料韧性，研究人员还发明了仿生复合增韧、转变增韧以及双相增韧等策略。然而这些策略却还未在金刚石类材料上实现增韧效果。

成果

2020年6月17日，燕山大学田永君，周向峰及北京航空航天大学郭林共同通讯在Nature 在线发表题为“Hierarchically structured diamond composite with exceptionaltoughness”的研究论文，该研究报告了用高温高压压机合成的金刚石复合材料的结构表征，这些金刚石复合材料由相干的界面金刚石多型体（不同的堆积顺序），交织的纳米孪晶和互锁的纳米晶粒组成。复合材料的结构比单独使用纳米孪晶更能提高韧性，而不会牺牲硬度。单边缘缺口梁测试的韧性是合成金刚石的五倍，甚至比镁合金还高。

当发生断裂时，裂纹通过之字形路径沿着{111}平面传播通过3C（立方）多型的金刚石纳米孪晶。当裂纹遇到非3C型的区域时，裂纹的传播会扩散成弯曲的裂缝，并在裂缝表面附近局部转变为3C金刚石。这两个过程都会耗散应变能，从而提高韧性。这项工作可能对制造超硬材料和工程陶瓷有用。通过使用具有硬化和增韧协同作用的结构体系，最终可以克服硬度和韧性之间的折衷。

图1：利用高温高压压机，在15 GPa和2000°C下合成的纳米孪晶金刚石复合材料的微观结构

图2：在15 GPa和2000°C下合成的纳米孪晶金刚石复合材料的HAADF-STEM图像

图3：原位弯曲测试的快照，总结了典型工程材料的机械性能

图4：TEM中纳米孪晶金刚石复合材料的原位弯曲试验

Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness

论文全文：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2361-2

原文链接：http://www.vogg-china.com/nd.jsp?id=129#_np=2_307