两倍于天然金刚石硬度的新材料问世

两倍于天然金刚石硬度的新材料问世

燕山大学教授田永君团队与吉林大学教授马琰铭、美国芝加哥大学教授王雁宾合作,在高温高压下成功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,这是他们继2013年合成出极硬纳米孪晶立方氮化硼之后的又一新突破。该研究成果发表在6月12日《自然》杂志上。

天然金刚石一直被公认为自然界中最硬的材料,但由于热稳定性差,导致其在切割、钻孔等方面的应用受限。1955年美国通用电气公司利用高温高压技术在实验室合成人造金刚石单晶后,合成出比天然金刚石更硬的材料成为科学界和产业界的共同梦想。2013年,田永君团队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,其硬度超过了人造金刚石单晶。该研究通过人工合成方式获得了硬度超过金刚石单晶的立方氮化硼材料,突破了人们对材料硬化机制的传统认识,找到了一种合成高性能超硬材料的全新途径。

到目前为止,通过石墨、非晶碳、玻璃碳和碳60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,孪晶的平均厚度小于5纳米。这种纳米孪晶金刚石具有从未有过的硬度和稳定性。这一研究成果将在制造独特性能的新材料领域具有广阔前景。 (科技日报)