《Nature》刊发北航化学学院郭林教授、岳永海教授团队最新研究成果

2020-06-24 北京航天航空大学

6月18日,Nature杂志在线全文发表了北京航空航天大学化学学院郭林教授、岳永海教授团队与燕山大学田永君院士团队在纳米孪晶复合金刚石增韧机制方面的最新研究成果:“Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughn...

  6月18日,Nature杂志在线全文发表了北京航空航天大学化学学院郭林教授、岳永海教授团队与燕山大学田永君院士团队在纳米孪晶复合金刚石增韧机制方面的最新研究成果:“Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness”。国家优秀青年基金获得者岳永海教授,高宇飞博士、胡文涛教授、徐波教授为文章共同第一作者,周向锋教授、郭林教授、田永君院士为共同通讯作者。

  

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  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学研究面临的重要挑战之一。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),改变制备条件引入非3C相金刚石多型结构(如2H, 4H, 9R, 15R等)将有望进一步提高其韧性。从原子尺度理解其强韧化作用机制有利于设计新型超硬、超韧金刚石,而且对于发展性能更加优越的超硬材料和工程陶瓷将起到积极的指导作用。

  鉴于此,北京航空航天大学化学学院郭林教授、岳永海教授团队与燕山大学田永君院士团队通力合作,在充分理解非3C金刚石多型结构基础上采用原位力学实验方法从微纳尺度乃至原子尺度系统研究了具有多级结构的纳米孪晶复合金刚石的增韧机制,提出了金刚石增韧的新思路,解决了金刚石材料无法兼具超硬、超韧的科学难题。

  

  图1. 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。

  研究者利用搭建的扫描电镜原位力学测试设备,采用原位单边切口梁弯曲实验方法系统研究了纳米孪晶金刚石的断裂行为,测得的断裂韧性高达26.6 MPa m1/2,是合成金刚石材料断裂韧性的5倍以上(见图2)。为了进一步揭示材料高断裂韧性的起源,研究者利用透射电镜下的原位力学实验研究了纳米孪晶复合金刚石材料裂纹的扩展机制。实验发现在高密度孪晶区,裂纹沿着{111}面扩展并在孪晶界处迅速改变方向,形成“之”字形路径;当裂纹遇到非立方相多型结构时,{111}面不再连续,裂纹扩展路径变得弯曲和起伏;当裂纹穿过非3C相金刚石多型结构后,非3C相金刚石会发生向3C相金刚石的转变(图3);上述几个方面协同作用极大地耗散了能量,使材料的断裂韧性显著提高。

  

  图2.纳米孪晶复合金刚石及纯孪晶相金刚石材料的原位弯曲变形过程及与其他工程材料硬度和断裂韧性的比较。

  

  图3. TEM中纳米孪晶复合金刚石结构的弯曲变形实验及增韧机制。

  该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、优秀青年基金、北航生物医学工程高精尖中心、北航青年拔尖人才计划等项目的支持。

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