引言

硬度和韌性（防止斷裂）之間的平衡對材料性能提升至關重要，這一點在金剛石中體現得尤為明顯。通過納米構造策略既可以增加金剛石硬度，同時也可以韌化金剛石。為了進一步提高材料韌性，研究人員還發明了仿生復合增韌、轉變增韌以及雙相增韌等策略。然而這些策略卻還未在金剛石類材料上實現增韌效果。

成果

2020年6月17日，燕山大學田永君，周向峰及北京航空航天大學郭林共同通訊在Nature 在線發表題為“Hierarchically structured diamond composite with exceptionaltoughness”的研究論文，該研究報告了金剛石復合材料的結構表征，這些金剛石復合材料由相干的界面金剛石多型體（不同的堆積順序），交織的納米孿晶和互鎖的納米晶粒組成。復合材料的結構比單獨使用納米孿晶更能提高韌性，而不會犧牲硬度。單邊緣缺口梁測試的韌性是合成金剛石的五倍，甚至比鎂合金還高。

當發生斷裂時，裂紋通過之字形路徑沿著{111}平面傳播通過3C（立方）多型的金剛石納米孿晶。當裂紋遇到非3C型的區域時，裂紋的傳播會擴散成彎曲的裂縫，并在裂縫表面附近局部轉變為3C金剛石。這兩個過程都會耗散應變能，從而提高韌性。這項工作可能對制造超硬材料和工程陶瓷有用。通過使用具有硬化和增韌協同作用的結構體系，可以克服硬度和韌性之間的折衷。

圖1：利用高溫高壓壓機，在15 GPa和2000°C下合成的納米孿晶金剛石復合材料的微觀結構

圖2：在15 GPa和2000°C下合成的納米孿晶金剛石復合材料的HAADF-STEM圖像

圖3：原位彎曲測試的快照，總結了典型工程材料的機械性能

圖4：TEM中納米孿晶金剛石復合材料的原位彎曲試驗

Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness

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

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

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