近日，燕山大學田永君院士團隊聯合南京理工大學、寧波大學研究人員成功合成硬度達276GPa的超細奈米孿晶金剛石塊材，重新整理材料硬度世界紀錄。相關研究於1月3日在《自然·合成》(Nature Synthesis)發表。
金剛石是自然界中最硬的材料，在機械加工、油氣開採和地質勘探等領域應用廣泛。單晶金剛石的硬度因晶體取向不同而異，介於60GPa—120GPa之間。長期以來，科研人員一直在探索如何合成硬度更高的金剛石材料。
晶粒細化是提升金剛石硬度的經典方法，但過高的晶界能量會促使晶粒長大，阻礙晶粒進一步細化，從而限制硬度提升空間。面對這一技術難題，田永君院士團隊開創了孿晶細化的新途徑。
在最新研究中，研究團隊透過精確控制洋蔥碳前驅體尺寸並進行高壓相變，成功合成出具有突破性效能的超細奈米孿晶金剛石塊材：平均晶粒尺寸18奈米，平均孿晶厚度僅2.3奈米，硬度高達276GPa。透過電鏡觀察，他們發現樣品中既有貫穿型孿晶，也有互鎖型孿晶，其中互鎖型孿晶占主導地位。對比實驗進一步證實了這種結構的關鍵作用，用金剛石粉為原料製備的奈米晶金剛石，儘管晶粒同樣細小(24奈米)，但由於缺乏密集的互鎖型孿晶結構，硬度僅為125GPa。這一突破為超硬材料未來研發奠定了重要理論基礎和技術支撐。(記者王璐丹)
