合成金刚石天然金刚石单晶性能更好的新材料是什么？

据说钻石​​是“硬”的。估计大家都知道，自然界中发现的天然存在的物质中，硬度是最高的。除了用作宝石（即闪闪发光的“钻石”）外，由于其硬度高、不可压缩性和耐磨性，钻石被广泛应用于机械加工、石油勘探、地质勘探等工业领域。作为最重要的两种超硬材料，金刚石和立方氮化硼（cBN）在20世纪中期相继合成，极大地推动了超硬材料的研究和应用，如目前工业上使用的金刚石，95%以上来自来自人工合成[1]。

合成金刚石和cBN材料硬度的历史年表，红线代表超硬材料的阈值（40 GPa），青色阴影区域代表天然金刚石单晶硬度范围（60~120 GPa）。图片来源：《科学通报》[1]

然而，虽然金刚石在硬度上主导天然材料，但其脆性也是已知无机结晶材料中最大的。难怪对于超硬材料，硬度和韧性往往是“鱼和熊掌”。与超高硬度相比，金刚石的断裂韧性有点“尴尬”，在使用过程中经常会发生碎裂等事故。此外，金刚石的热稳定性也不理想。当温度高于800℃时，金刚石在空气中容易石墨化，从而失去其超硬性能。

金刚石的硬度与断裂韧性的关系，橙色虚线代表传统的硬度与断裂韧性的关系。图片来源：《科学通报》[1]

当使用合成金刚石粉末原料烧结制备块状材料时，还有一个缺点。由于共价化学键强，金刚石粉末的烧结为了获得致密的烧结块，通常需要加入金属钴作为结合剂，以增强粉末原料的烧结性。得到的多晶金刚石块的力学性能很难超过相应的单晶材料。 因此，合成性能优于天然金刚石单晶的新材料一直是超硬材料研究和工业界的共同追求。

近日，燕山大学田永军院士、北京航空航天大学周向峰教授和郭琳教授课题组在《自然》杂志上联合发表论文，报道了一种高硬度高韧性金刚石复合材料的多层次结构。该材料由金刚石多型体、交织的 3C 金刚石纳米孪晶和互锁金刚石纳米颗粒分层组装而成 [2]。这种纳米孪晶金刚石复合材料的断裂韧性可以提高到26.6 MPa m1/2，而不牺牲硬度（维氏硬度约为200 GPa），与常规合成金刚石的硬度大致相同。 5倍金刚石的特性，甚至高于镁合金，与铝合金的断裂韧性相当。该工作的共同第一作者是岳永海、高宇飞、胡文涛和徐波[2]。

纳米孪晶金刚石复合材料与典型工程材料的硬度和断裂韧性比较。图片来源：自然

研究人员以洋葱碳材料为前驱体金刚石的特性，在高温高压下合成了纳米孪晶金刚石复合材料。该材料由多种金刚石多型组成，其中2H、4H、9R和15R四种金刚石多型与3C金刚石界面相邻，属于孪晶共晶。在高压合成过程中，洋葱碳结构中的sp2杂化碳原子收缩成碳双层，并在相邻双层之间形成sp3杂化C-C键。

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。图片来源：自然

压力是控制多型体形成的关键。在20 GPa的高压下，碳双层膜将完全转变为3C型纳米金刚石。在相对较低的压力下（

纳米孪晶金刚石复合材料的 HAADF-STEM 图像。图片来源：自然

这种纳米孪晶金刚石复合材料兼具良好的硬度和断裂韧性。在4.9 N的载荷下，材料的维氏硬度为200.1±8.0 GPa，与之前报道的纳米孪晶金刚石的维氏硬度相似。