燕大要闻

2021年11月17日

澳门永利网址合成具有极大力学性能各向异性的金刚石

亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 李英梅

【新闻中心讯】近期,澳门永利网址田永君教授、清华澳门永利网址姜开利教授等共同设计了实验,姜开利教授团队提供了超顺排多壁碳纳米管前驱体,田永君教授团队完成了金刚石材料的高温高压合成及力学性能表征。研究成果以Extreme mechanical anisotropy in diamond with preferentially oriented nanotwin bundles(具有极大力学性能各向异性的择优取向孪晶结构金刚石)为题,11月15日在线发表于PNAS。

金刚石由于优异的物理化学性质被广泛应用于现代工业和科学研究领域,如何进一步调控其力学性能一直是材料科学研究中的重要挑战之一。澳门永利网址田永君教授团队在以往的研究中创新性地将高密度纳米孪晶、金刚石多型体等显微组织引入金刚石晶粒内部,实现了金刚石块材硬度、韧性和热稳定性的全面提升。

田永君教授团队和清华澳门永利网址姜开利教授团队合作提出了调控金刚石力学性能的新思路。研究团队选用超顺排多壁碳纳米管为前驱体,在高温高压条件下合成出具有择优取向的纳米孪晶金刚石块材。块材中,择优取向的纳米孪晶束长度为2-10 μm、宽度约为200 nm,与超顺排多壁碳纳米管束前驱体尺寸一致;平均孪晶厚度低至2.9 nm。这种独特的显微结构不仅为金刚石块材带来极大的力学性能各向异性,还实现了金刚石硬度值的新突破。努氏硬度测试表明在沿孪晶取向方向和垂直孪晶取向方向上,块材的硬度分别为129 ± 9 GPa和233 ± 8 GPa。此外,在上述两个方向上裂纹扩展也显示出明显的各向异性。分子动力学研究进一步证实,垂直孪晶取向的努氏压头在加载过程中产生位错的运动受到孪晶界更大的阻碍,理论模拟得到的硬度随测量方向的变化趋势与实验观测的结果一致。

初始超顺排多壁碳纳米管(A)和高温高压相变后的择优取向纳米孪晶金刚石块材(B)的显微组织结构

择优取向纳米孪晶金刚石块材的硬度

(左:各向异性;右:硬度与显微组织特征尺寸的关系)

(以上照片由亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室提供)

研究结果表明,在晶粒大小、孪晶厚度之外,孪晶取向也会对金刚石材料的力学性能产生显著影响。本研究加深了人们对共价材料体系中孪晶增强增韧机制的理解,为进一步设计合成高性能纳米孪晶共价材料提供了重要指导。

该工作获得了国家自然科学基金(批准号:52090020、U20A20238、51772260、91963203、51722209、51525205)和国家重点研发计划(批准号:2018YFA0703400、2018YFA0305900、2018YFA0208400)的资助。本工作共同第一作者为潘益龙、应盼、高宇飞和柳鹏,通讯作者为赵智胜、仝柯和徐波。(编辑 李佳奇)

(PNAS链接:https://www.pnas.org/content/118/47/e2108340118

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