金刚石对于工业和科学应用至关重要。尽管其硬度是无与伦比的，但其韧性却低于许多已知的工具材料。进一步提高其硬度通常会导致韧性降低，从而缩短金刚石工具的使用寿命。由于金刚石固有的脆性，因此同时提高韧性和硬度具有挑战性。金刚石的硬度可通过纳米结构的策略来增加，其中形成的高密度纳米级孪晶，也韧化金刚石。对于除金刚石以外的材料，有几种其它的有前途的方法提高韧性和纳米孪晶，如生物启发层压复合增韧、变增韧和双相增韧，但是对金刚石中这种方法的研究很少。
有鉴于此，燕山大学田永君、北京航空航天大学郭林、燕山大学周向锋等报告了金刚石复合材料的结构表征，这些金刚石复合材料由相干的界面金刚石多型体（不同的堆积顺序），交织的纳米孪晶和互锁的纳米晶粒组成。复合材料的结构比单独使用纳米孪晶更能提高韧性，而不会牺牲硬度。单边凹口光束测试的韧性是合成金刚石的5倍，甚至比镁合金还要大。当发生断裂时，裂纹通过之字形路径沿着{111}平面传播通过3C（立方）多型的金刚石纳米孪晶。当裂纹遇到非3C型的区域时，裂纹的传播会扩散成弯曲的裂缝，并在裂缝表面附近局部转变为3C金刚石。这两个过程都会耗散应变能，从而提高韧性。这项工作可能对制造超硬材料和工程陶瓷有用。通过使用具有硬化和增韧协同作用的结构体系，最终可以克服硬度和韧性之间的折衷。
相关结果以Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness为题于2020年6月17日发表在Nature期刊上。
图1：在15 GPa和2000°C下合成的纳米孪晶金刚石复合材料的微观结构
图2：在15 GPa和2000°C下合成的纳米孪晶金刚石复合材料的HAADF-STEM图像
图3：原位弯曲测试的快照，总结了典型工程材料的机械性能
图4：TEM中纳米孪晶金刚石复合材料的原位弯曲试验
Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2361-2
文章来源：微算云平台
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