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燕山大學(xué)Nature:成功截獲多種金剛石多型體,制備韌性優(yōu)異的多級(jí)結(jié)構(gòu)金剛石復(fù)合材料

來源:燕山大學(xué)      2020-06-22
導(dǎo)讀:在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等資助下,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(duì)與北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院郭林教授團(tuán)隊(duì)等單位合作,成功截獲多種金剛石多型體,并制備出了韌性優(yōu)異的多級(jí)結(jié)構(gòu)金剛石復(fù)合材料。研究成果以“具有優(yōu)異韌性的多級(jí)結(jié)構(gòu)金剛石復(fù)合材料(Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness)”為題,于2020年6月18日在線發(fā)表于《自然》(Nature)期刊上。

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納米孿晶金剛石復(fù)合材料的HAADF-STEM像

圖中3C代表立方結(jié)構(gòu)金剛石,2H、4H、9R和15R分別代表立方結(jié)構(gòu)金剛石的4種多型體。

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納米孿晶金剛石復(fù)合材料和典型工程材料的硬度和斷裂韌性

金剛石是已知材料中脆性最大的無機(jī)晶體材料。如何協(xié)同提高其硬度和韌性一直是材料科學(xué)研究面臨的重要挑戰(zhàn)之一。燕山大學(xué)團(tuán)隊(duì)的前期研究已經(jīng)證實(shí),通過顯微組織的納米孿晶化可以協(xié)同提高金剛石的硬度和韌性:在維氏硬度提高到200GPa的同時(shí),斷裂韌性能夠提高到與硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)乃健?/span>

燕山大學(xué)與北京航空航天大學(xué)等單位合作提出了金剛石增韌的新思路。通過組織調(diào)控,該團(tuán)隊(duì)制備出了一種具有多級(jí)結(jié)構(gòu)特征的金剛石復(fù)合材料,該材料由金剛石多型體、交織的3C金剛石納米孿晶和互鎖的金剛石納米晶粒分級(jí)組裝而成。這種組織實(shí)現(xiàn)了納米孿晶增韌、疊層復(fù)合增韌和相變增韌的協(xié)同,在保持200GPa維氏硬度的情況下,將納米孿晶金剛石的斷裂韌性再次提高到26.6 MPam0.5,該值約為人工合成金剛石斷裂韌性的5倍,已高于鎂合金且與鋁合金相當(dāng)。

本工作不僅實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了2H、4H、9R和15R四種sp3雜化金剛石多型體的存在,而且發(fā)現(xiàn)的協(xié)同增韌機(jī)制為發(fā)展高韌性超硬材料和工程陶瓷提供了新的途徑。本工作共同第一作者為岳永海、高宇飛、胡文濤和徐波,通訊作者為周向鋒、郭林和田永君。

論文鏈接為:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2361-2


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