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材料学院在极硬材料合成研究领域再次取得重大突破
2014-06-28 10:47  

中国材料科学家燕山大学田永君教授领导的研究团队与吉林大学马琰铭教授和美国芝加哥大学王雁宾教授合作,继2013年合成出极硬纳米孪晶立方氮化硼之后再次取得突破,在高温高压下成功地合成出硬度两倍于天然金刚石的纳米孪晶结构金刚石块材。研究成果发表在2014年6月12日的Nature杂志上。

左图为纳米孪晶金刚石显微组织的典型透射电镜照片,右图为透明纳米孪晶金刚石样品的光学照片(合成压力20GPa,合成温度2000 °C)。照片由徐波、胡文涛和黄权提供。

天然金刚石在2700多年前被发现以来,一直被公认为自然界中的最硬材料。在不同的晶体学取向上,天然金刚石的压痕硬度为60120GPa。1955年美国通用电气公司利用高温高压技术在实验室成功地合成出人造金刚石单晶,掀开了金刚石工业应用的新篇章,成为超硬材料研究的里程碑,从此合成出比天然金刚石更硬的新材料就变成了科学界和产业界的共同梦想。但是经过多年努力之后,科学家们开始对实现这一梦想感到失望。正值金刚石成功合成50周年之际,英国剑桥大学卡文迪许实验室的两位学者就曾撰写一篇题为“比金刚石更硬:只是幻想”的文章(Nature Materials 4(2005),4)。他们在文中明确指出:“事实上,到目前为止既没有发现天然材料也没有发现合成材料比天然金刚石更硬,而且能够合成出比天然金刚石更硬的材料几乎是不太可能的”。

田永君教授研究团队的前期理论研究表明:在纳米尺度,多晶极性共价材料的硬化除了Hall-Petch效应的贡献还有量子限域效应的附加贡献,能够导致材料随显微组织特征尺寸减小而持续硬化却不软化。去年,他们首先利用洋葱结构氮化硼前驱物在高压下成功地合成出纳米孪晶结构立方氮化硼(Nature 493(2013), 385),将显微组织的特征尺寸(平均孪晶厚度)减小到3.8nm,维氏硬度值可达108GPa,超过了人造金刚石单晶。纳米孪晶立方氮化硼的成功合成开辟了一个同时提高材料硬度、韧性和热稳定性的新途径。

到目前为止,通过石墨、非晶碳、玻璃碳和C60等碳前驱体的高压相变还不能获得纳米孪晶结构金刚石。为此,田永君教授研究团队及其合作者开始研究洋葱碳在高温高压下的相变过程。在较低温度下洋葱碳在形成纳米孪晶结构立方金刚石的同时还共生出一种单斜结构的金刚石,在文章中他们将其命名为“M-diamond”;在较高温度下,碳洋葱转变成了单相的纳米孪晶结构金刚石,孪晶的平均厚度小到5nm。这种纳米孪晶金刚石具有从未有过的硬度和稳定性:维氏硬度约为天然金刚石的两倍,可达200GPa;空气中的起始氧化温度比天然金刚石高出200摄氏度以上。

澳大利亚James Boland在Nature杂志同期的新闻与观点(NEWS & VIEWS)栏目撰写了题为“金刚石变得更硬”的文章,亮点报道了这项工作。另外,Los Angeles Times、Chemistry World、PhysOrg等国外多家科学媒体也进行了亮点报道。

研究工作持续得到了国家自然科学基金委员会多个项目(批准号50530099,50821001,513300012)和973计划项目的支持。(编辑 褚玉晶/审核 蔡常山)

(文章转载自中国自然科学基金委员会网站,链接地址:http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab88/info44595.htm

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