276 GPa！燕山大學(xué)再次刷新世界硬度紀(jì)錄！

近日，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京理工大學(xué)、寧波大學(xué)研究人員，在超硬材料領(lǐng)域再次實(shí)現(xiàn)重大突破，成功合成出硬度達(dá)276 GPa的超細(xì)納米孿晶金剛石塊材，刷新了材料硬度的世界紀(jì)錄。相關(guān)研究以“Enhancing the hardness of diamond through twin refinement and interlocked twins”為題，于2025年1月3日在Nature Synthesis在線發(fā)表。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00707-1。

作為自然界中*硬的材料，金剛石在機(jī)械加工、油氣開(kāi)采和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。單晶金剛石的硬度因晶體取向不同而異，介于60-120 GPa之間。長(zhǎng)期以來(lái)，科研人員一直在探索如何合成出硬度更高的金剛石材料。晶粒細(xì)化作為提升金剛石硬度的經(jīng)典方法，卻在納米尺度遇到了瓶頸：過(guò)高的晶界能量會(huì)促使晶粒長(zhǎng)大，阻礙了進(jìn)一步細(xì)化，從而限制了硬度的提升空間。

面對(duì)這一技術(shù)難題，田永君院士團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開(kāi)創(chuàng)了孿晶細(xì)化的新途徑。與傳統(tǒng)晶界相比，孿晶界具有更低的界面能量，為材料的超細(xì)化提供了新的可能。團(tuán)隊(duì)前期研究已經(jīng)證實(shí)這一方法的可行性——他們成功合成了平均孿晶厚度僅5納米的金剛石塊材，其硬度達(dá)到200 GPa，是天然金剛石的兩倍。

在*新研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)*控制洋蔥碳前驅(qū)體尺寸并進(jìn)行高壓相變，成功合成出具有突破性性能的超細(xì)納米孿晶金剛石塊材，塊材平均晶粒尺寸18納米，平均孿晶厚度僅2.3納米，硬度高達(dá)276 GPa。通過(guò)電鏡觀察，他們發(fā)現(xiàn)樣品中既有貫穿型孿晶，也有互鎖型孿晶，其中互鎖型孿晶占主導(dǎo)地位。對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了這種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用，用金剛石粉為原料制備的納米晶金剛石，盡管晶粒同樣細(xì)小（24納米），但由于缺乏密集的互鎖型孿晶結(jié)構(gòu)，硬度僅為125 GPa。

這一突破不僅刷新了硬度紀(jì)錄，更為突破共價(jià)材料硬度極限開(kāi)辟了新思路。通過(guò)孿晶組織的細(xì)化和類型調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)了提升材料性能的新途徑，這對(duì)超硬材料的未來(lái)研發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（52288102、52325203、52090020）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0703400、2023YFA1406200）、河北省自然科學(xué)基金（E2022203109、E2023203256、E2023203126）等項(xiàng)目資助。燕山大學(xué)應(yīng)盼、李寶忠和馬夢(mèng)冬為共同*作者，仝柯、趙智勝和徐波為通訊作者；潘益龍（寧波大學(xué)）和唐國(guó)棟（南京理工大學(xué)）為共同通訊作者。