兩倍于天然金剛石硬度的新材料問世

燕山大學(xué)教授田永君團(tuán)隊與吉林大學(xué)教授馬琰銘、美國芝加哥大學(xué)教授王雁賓合作,在高溫高壓下成功合成出硬度兩倍于天然金剛石的納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石塊材,這是他們繼2013年合成出極硬納米孿晶立方氮化硼之后的又一新突破。該研究成果發(fā)表在6月12日《自然》雜志上。

天然金剛石一直被公認(rèn)為自然界中最硬的材料,但由于熱穩(wěn)定性差,導(dǎo)致其在切割、鉆孔等方面的應(yīng)用受限。1955年美國通用電氣公司利用高溫高壓技術(shù)在實驗室合成人造金剛石單晶后,合成出比天然金剛石更硬的材料成為科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的共同夢想。2013年,田永君團(tuán)隊首先利用洋蔥結(jié)構(gòu)氮化硼前驅(qū)物在高壓下成功地合成出納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼,其硬度超過了人造金剛石單晶。該研究通過人工合成方式獲得了硬度超過金剛石單晶的立方氮化硼材料,突破了人們對材料硬化機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)識,找到了一種合成高性能超硬材料的全新途徑。

到目前為止,通過石墨、非晶碳、玻璃碳和碳60等碳前驅(qū)體的高壓相變還不能獲得納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石。為此,田永君團(tuán)隊及其合作者開始研究洋蔥碳在高溫高壓下的相變過程。在較低溫度下,洋蔥碳在形成納米孿晶結(jié)構(gòu)立方金剛石的同時,還共生出一種單斜結(jié)構(gòu)的金剛石;在較高溫度下,碳洋蔥轉(zhuǎn)變成了單相的納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石,孿晶的平均厚度小于5納米。這種納米孿晶金剛石具有從未有過的硬度和穩(wěn)定性。這一研究成果將在制造獨(dú)特性能的新材料領(lǐng)域具有廣闊前景。 (科技日報)