6月18日，Nature雜志在線全文發(fā)表了北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院郭林教授、岳永海教授團隊與燕山大學(xué)田永君院士團隊在納米孿晶復(fù)合金剛石增韌機制方面的最新研究成果：“Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness”。國家優(yōu)秀青年基金獲得者岳永海教授，高宇飛博士、胡文濤教授、徐波教授為文章共同第一作者，周向鋒教授、郭林教授、田永君院士為共同通訊作者。

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　　作為自然界中最堅硬的金剛石，雖然有著廣泛的應(yīng)用前景，但是與其無與倫比的硬度相比，其固有的脆性就如同“阿喀琉斯之踵”一樣極大地限制了它的應(yīng)用。如何協(xié)同提高其硬度和韌性一直是材料科學(xué)研究面臨的重要挑戰(zhàn)之一。納米孿晶化已經(jīng)被證明可以有效地提高金剛石的硬度(Nature,2014, 510, 250)，改變制備條件引入非3C相金剛石多型結(jié)構(gòu)(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(shè)計新型超硬、超韌金剛石，而且對于發(fā)展性能更加優(yōu)越的超硬材料和工程陶瓷將起到積極的指導(dǎo)作用。

　　鑒于此，北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院郭林教授、岳永海教授團隊與燕山大學(xué)田永君院士團隊通力合作，在充分理解非3C金剛石多型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用原位力學(xué)實驗方法從微納尺度乃至原子尺度系統(tǒng)研究了具有多級結(jié)構(gòu)的納米孿晶復(fù)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超硬、超韌的科學(xué)難題。

　　圖1. 15 GPa, 2000 °C條件下合成的納米孿晶復(fù)合金剛石中非3C多型結(jié)構(gòu)的HAADF-STEM像。

　　研究者利用搭建的掃描電鏡原位力學(xué)測試設(shè)備，采用原位單邊切口梁彎曲實驗方法系統(tǒng)研究了納米孿晶金剛石的斷裂行為，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(見圖2)。為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(xué)實驗研究了納米孿晶復(fù)合金剛石材料裂紋的擴展機制。實驗發(fā)現(xiàn)在高密度孿晶區(qū)，裂紋沿著{111}面擴展并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(jié)構(gòu)時，{111}面不再連續(xù)，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(jié)構(gòu)后，非3C相金剛石會發(fā)生向3C相金剛石的轉(zhuǎn)變(圖3);上述幾個方面協(xié)同作用極大地耗散了能量，使材料的斷裂韌性顯著提高。

　　圖2.納米孿晶復(fù)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。

　　圖3. TEM中納米孿晶復(fù)合金剛石結(jié)構(gòu)的彎曲變形實驗及增韌機制。

　　該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目、優(yōu)秀青年基金、北航生物醫(yī)學(xué)工程高精尖中心、北航青年拔尖人才計劃等項目的支持。