摘要
硬度与韧性之间的固有权衡关系使材料难以实现二者同步提升，这一矛盾在金刚石中尤为突出。纳米结构化可提升金刚石硬度，其中高密度纳米孪晶还能同时改善韧性；但除孪晶外，生物启发层状复合增韧、相变增韧、双相增韧等其他有效增韧机制在金刚石体系中鲜有研究。本文报道了一种层级组装的金刚石复合材料，由共格界面结合的金刚石多型体、交织的纳米孪晶与互锁纳米晶共同构成。该层级结构在不损失硬度的前提下，增韧效果远超单一纳米孪晶结构。单刃缺口梁测试结果显示，复合材料断裂韧性最高可达 26.6 MPa・m^1/2，是人造金刚石的 5 倍，甚至高于镁合金。断裂过程中，裂纹在 3C 立方多型体的纳米孪晶内沿 {111} 面以之字形路径扩展；当裂纹进入非 3C 多型体区域时，扩展路径变为蜿蜒状，且断口附近发生局部向 3C 金刚石的结构转变。两种过程共同耗散应变能，实现韧性提升。该研究对超硬材料与工程陶瓷的设计制备具有重要参考价值，通过协同强化与增韧的层级结构设计，有望最终突破硬度 - 韧性的倒置权衡。
本文创新方法：以洋葱碳为前驱体，通过 15 GPa、2000 ℃高压高温合成，原位构筑 “纳米孪晶 + 共格多型体 + 互锁纳米晶” 三级层级结构金刚石复合材料；结合球差校正高角环形暗场扫描透射电镜、原位 TEM 断裂测试、微尺度单刃缺口梁弯曲、第一性原理计算，系统确认非 3C 金刚石多型体的存在并揭示 “裂纹偏转 + 应力诱发相变” 双重增韧机制。
解决的科学问题：金刚石本征脆性强，硬度与韧性难以协同提升；单一纳米孪晶增韧幅度有限，缺少多尺度层级结构增韧的金刚石可控制备路径；金刚石多型体的结构本质、其对断裂行为与相变增韧的调控机制长期存在学术争议。
图文导读
图 1 15 GPa、2000 ℃合成的纳米孪晶金刚石复合材料典型显微组织。(a) 低倍明场扫描透射电镜图像，显示由纳米孪晶构成的互锁晶粒，不同颜色双箭头标注不同取向的孪晶界；插图为对应选区电子衍射花样，互锁晶粒内的多重孪晶呈现表观五重对称特征。(b) 单个晶粒的高倍环形暗场扫描透射电镜图像，可见纳米孪晶与共格嵌于其中的金刚石多型体畴区；标注了 {111} 孪晶界、本征堆垛层错与横向 Σ3 (211) 孪晶界。
图 2 纳米孪晶金刚石复合材料的高角环形暗场扫描透射电镜图像。(a) 以 3C 纳米孪晶为主的区域，标注了孪晶界、堆垛层错、外禀堆垛层错以及 2H、4H 金刚石多型体；每个孪晶畴内部为 3C 立方结构，插图示意了孪晶畴之间的取向关系。(b) 对应图 1b 青色框区域的高分辨图像，上下为 3C 金刚石，中间嵌有共格的 2H 多型体薄片；插图为 2H 区域的快速傅里叶变换花样，显示其与 3C 不同的对称性；2H 多型体内标注一处堆垛层错。(c) 含有共格嵌埋 2H、9R、15R 多型体的纳米孪晶金刚石高分辨图像；插图为对应快速傅里叶变换花样，显示 (111)₃C 衍射周期出现三倍化，源于 (111)₃C//(009)₉R 的外延取向关系；15R 区域内两处局域层缺陷以虚线椭圆标注。
图 3 原位弯曲测试快照与典型工程材料力学性能对比。(a-d) 纳米孪晶金刚石复合材料微梁在单刃缺口梁测试过程中的时序快照。(e-f) 纯纳米孪晶金刚石微梁单刃缺口梁测试快照；图 c 与图 f 对应裂纹扩展至梁顶部的时刻。(g) 纳米孪晶金刚石复合材料与典型工程金属、陶瓷的硬度 - 断裂韧性 Ashby 图。
图 4 纳米孪晶金刚石复合材料的透射电镜原位弯曲测试。(a) TEM 原位弯曲 U 型样品示意图；上方粉色框示意纳米孪晶与多型体中的裂纹扩展路径，下方绿色框示意非 3C 金刚石多型体处的波浪形断口。(b) 断裂后复合材料的 TEM 形貌；插图为青色框区域的扫描透射电镜图像。(c) 对应图 b 黄色框区域的环形明场图像，显示 3C 纳米孪晶区的断口，裂纹沿 {111} 面扩展并在孪晶界处偏转，形成之字形扩展路径。(d) 对应图 b 红色框区域的扫描透射电镜图像，显示非 3C 多型体区的波浪形、蜿蜒状断口。(e) 对应图 d 绿色虚线框的断口放大图像。(f) 对应图 e 黄色框区域的逆快速傅里叶变换图像，显示裂纹扩展路径上部分 9R 金刚石已转变为 3C 金刚石。
结论
本研究通过高压高温合成制备出多级层级结构金刚石复合材料，实现了超高硬度与优异韧性的协同突破，主要结论如下：
-
以洋葱碳为前驱体，在 15 GPa、2000 ℃条件下成功合成层级结构金刚石复合材料，微观组织包含 3C 立方纳米孪晶、共格非 3C 多型体（2H、4H、9R、15R）与互锁纳米晶三级结构；维氏硬度达 200.1 ± 8.0 GPa，与纯纳米孪晶金刚石相当，保持了金刚石的超高硬度特性。 -
复合材料断裂韧性最高可达 26.6 MPa・m^1/2，是传统人造金刚石的 5 倍，韧性优于部分金属合金，突破了金刚石本征脆性的性能瓶颈。 -
原位断裂测试揭示了双重增韧机制：在 3C 纳米孪晶区域，裂纹沿 {111} 解理面扩展并在孪晶界处反复偏转，形成之字形路径，增加断裂能耗；在非 3C 多型体区域，碳双层堆叠序列的变化使裂纹持续偏转形成蜿蜒断口，同时裂纹尖端高应力诱发 9R 向 3C 的结构相变，提供额外相变增韧效应。 -
观察到裂纹卸载后的自愈合现象，源于断口两侧悬挂碳键的重新键合；纳米孪晶、类层状复合结构与相变增韧的协同作用，是复合材料韧性大幅提升的核心原因。 该层级结构设计策略为超硬材料与先进结构陶瓷的强韧化提供了全新范式，有望显著提升工具材料的使用寿命与服役性能。
文献链接
Yue, Y. H., Gao, Y. F., Hu, W. T., Xu, B., Wang, J., Zhang, X. J., Zhang, Q., Wang, Y. B., Ge, B. H., Yang, Z. Y., Li, Z. H., Ying, P., Liu, X. X., Yu, D. L., Wei, B., Wang, Z. C., Zhou, X. F., Guo, L., & Tian, Y. J. (2020). Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness. Nature, 582(7812), 370–374. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2361-2
说明：
本文为文献解读，若有不足和错误之处，敬请批评指正。
若存在版权问题，请及时联系我们。
欢迎硕博招生、就业、会议邀请
投稿