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《Nature》刊發我院郭林教授、嶽永海教授團隊最新研究成果

发布日期:2020-06-19    作者:刘乃鹏     来源:宣传部    点击:


 

    2020年618日,Nature雜志在線全文發表了我院郭林教授、嶽永海教授團隊與燕山大學田永君院士團隊在納米孿晶複合金剛石增韌機制方面的最新研究成果:“Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness”。嶽永海教授、高宇飛博士、胡文濤教授、徐波教授爲文章共同第一作者,周向峰教授、郭林教授、田永君院士爲共同通訊作者。  

 


 

     作为自然界中最坚硬的金刚石,虽然有着广泛的应用前景,但是与其无与伦比的硬度相比,其固有的脆性就如同“阿喀琉斯之踵”一样极大地限制了它的应用。如何协同提高其硬度和韧性一直是材料科學研究面临得重要挑战之一。纳米孪晶化已经被证明可以有效地提高金刚石的硬度(Nature, 2014, 510, 250),改變制備條件引入非3C相金剛石多型結構(如2H, 4H, 9R, 15R等)將有望進一步提高其韌性。從原子尺度理解其強韌化作用機制有利于設計新型高硬、高韌金剛石,而且對于發展性能更加優越的超硬材料和工程陶瓷將起到積極的指導作用。
 

鑒于此,我院郭林教授、嶽永海教授團隊與燕山大學田永君院士團隊通力合作,在充分理解非3C金剛石多型結構基礎上采用原位力學實驗方法從微納尺度乃至原子尺度系統研究了具有多級結構的納米孿晶複合金剛石的增韌機制,提出了金剛石增韌的新思路,解決了金剛石材料無法兼具高硬、高韌的科學難題!

上图为: 15 GPa, 2000 °C条件下合成的纳米孪晶复合金刚石中非3C多型结构的HAADF-STEM像。
 


 

研究者利用搭建的掃描電鏡原位力學測試設備,采用原位單邊切口梁彎曲實驗方法系統研究了納米孿晶金剛石的斷裂行爲,測得的斷裂韌性高達26.6 MPa m1/2,是合成金剛石材料斷裂韌性的5倍以上(見下圖)。爲了進一步揭示材料高斷裂韌性的起源,研究者利用透射電鏡下的原位力學實驗研究了納米孿晶複合金剛石材料裂紋的擴展機制。實驗發現在高密度孿晶區,裂紋沿著{111}面擴展並在孿晶界處迅速改變方向,形成“之”字形路徑;當裂紋遇到非立方相多型結構時,{111}面不再連續,裂紋擴展路徑變得彎曲和起伏;當裂紋穿過非3C相金剛石多型結構後,非3C相金剛石會發生向3C相金剛石的轉變(見文末圖);上述幾個方面協同作用極大地耗散了能量,使材料的斷裂韌性顯著提高。

 

上圖爲:納米孿晶複合金剛石及純孿晶相金剛石材料的原位彎曲變形過程及與其他工程材料硬度和斷裂韌性的比較。


 

該工作得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金委重點基金、優秀青年基金、北京航空航天大學青年拔尖計劃等項目的支持。

論文原文鏈接:https://www-nature-com-443.e1.buaa.edu.cn/articles/s41586-020-2361-2

文末圖:TEM中納米孿晶複合金剛石結構的彎曲變形實驗及增韌機制。