【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，吉林大學(xué)物理學(xué)院朱品文、李全、陶強(qiáng)教授與寧波大學(xué)崔田教授合作，在金剛石超硬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可控制備研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Curved Graphite Precursors Enable Cubic–Hexagonal Diamond Heterostructures with Unprecedented Toughness–Hardness Synergy”為題，于2025年10月31日在線發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。
 

　　隨著先進(jìn)制造、深地鉆探和高壓科學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)材料在極端環(huán)境下的力學(xué)性能不斷提出更為嚴(yán)苛的需求。金剛石因其超高硬度、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和卓越的熱導(dǎo)率，被譽(yù)為“材料之王”，長(zhǎng)期以來(lái)在精密加工和極端條件應(yīng)用中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，這一“最硬的材料”也面臨著韌性不足的固有局限。這一局限源于金剛石的本征結(jié)構(gòu)特性。強(qiáng)共價(jià)鍵賦予了金剛石非凡的抗塑性變形能力，卻也限制了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和能量耗散機(jī)制，使其缺乏有效的應(yīng)力緩沖途徑。在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下，當(dāng)局部載荷超過(guò)金剛石的抗裂極限時(shí)，裂紋更易被激活并快速擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和失效。
 

　　“硬而不韌”成為制約金剛石應(yīng)用空間的核心瓶頸。如何在保持極限硬度的同時(shí)顯著提升斷裂韌性，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與韌性的協(xié)同優(yōu)化，已成為材料科學(xué)領(lǐng)域亟待解決的重大挑戰(zhàn)。突破這一瓶頸，不僅有望推動(dòng)下一代超硬刀具、深地探測(cè)裝備和高壓裝置的性能革新，更將為超硬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能調(diào)控提供全新的理論基礎(chǔ)與工程路徑。
 

　　自然界的演化孕育出諸多以結(jié)構(gòu)幾何實(shí)現(xiàn)功能調(diào)控的精妙機(jī)制。例如，含羞草的葉片在受到外力刺激時(shí)，借助內(nèi)部曲率分布所引導(dǎo)的力學(xué)響應(yīng)，能夠迅速完成卷曲這一宏觀運(yùn)動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)正是從這一自然機(jī)制中獲得啟發(fā)，提出了“仿生曲率誘導(dǎo)”策略：將自然界的“力學(xué)協(xié)同作用”引入到材料設(shè)計(jì)之中，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能的協(xié)同調(diào)控。
 

　　通過(guò)在石墨前驅(qū)體中構(gòu)筑可編程的微米級(jí)曲率結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)在高溫高壓合成過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)局域應(yīng)力場(chǎng)空間分布的主動(dòng)調(diào)節(jié)，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中效應(yīng)，從而主導(dǎo)了相變動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這種“仿生幾何設(shè)計(jì)”理念的核心在于，讓結(jié)構(gòu)幾何成為調(diào)控相變的“隱形手柄”。通過(guò)曲率誘導(dǎo)的應(yīng)力場(chǎng)調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)在“常規(guī)靜態(tài)高壓條件”下實(shí)現(xiàn)了立方金剛石(CD)與六方金剛石(HD)相的協(xié)同生長(zhǎng)，構(gòu)建出具有復(fù)雜界面結(jié)構(gòu)和層次調(diào)控能力的CD-HD 異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系。該方法在傳統(tǒng)靜壓體系中實(shí)現(xiàn)了相變路徑的主動(dòng)控制，打破了以往必須借助沖擊波或強(qiáng)非靜水壓力才能誘導(dǎo)六方金剛石生成的技術(shù)壁壘，建立了“曲率—應(yīng)力—結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)思路。
 

　　這一仿生策略不僅拓展了材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度，也從概念層面驗(yàn)證了通過(guò)結(jié)構(gòu)幾何調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料演化可編程控制的可能性。研究結(jié)果顯示，基于該方法制備的金剛石復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能：維氏硬度高達(dá)169 GPa，比傳統(tǒng)納米多晶金剛石(NPD)提升36%；斷裂韌性達(dá)到15.7 MPa·m1/2，比NPD提高104%，約為天然金剛石的3倍。性能躍升源于“硬化—韌化”協(xié)同機(jī)制：一方面，六方金剛石相與立方金剛石形成的半共格界面及堆垛層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)能有效抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高材料強(qiáng)度；另一方面，裂紋在缺陷結(jié)構(gòu)處發(fā)生偏轉(zhuǎn)、分支和終止，且應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的局域相變進(jìn)一步吸收斷裂能量，顯著提升材料韌性。
 

　　本研究為破解金剛石材料“硬度與韌性難以兼得”的難題提供了新思路：通過(guò)對(duì)微結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的有效調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)相變路徑和界面結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的有序引導(dǎo)，從而在材料設(shè)計(jì)源頭實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與韌性的協(xié)同優(yōu)化。該工作體現(xiàn)了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)力場(chǎng)工程的深度融合，能夠在原子尺度上重塑材料的“結(jié)構(gòu)—性能”的耦合關(guān)系，為突破超硬材料的性能極限提供了知識(shí)儲(chǔ)備。該策略所揭示的“應(yīng)力工程—相變調(diào)控—性能協(xié)同”機(jī)制，為多種關(guān)鍵超硬材料體系的設(shè)計(jì)與合成提供了新的理論框架與工程路徑。該方法有望進(jìn)一步推廣至立方氮化硼(c-BN)、過(guò)渡金屬硼化物以及B—C—N 三元化合物等重要超硬材料，為極端環(huán)境結(jié)構(gòu)材料、耐磨防護(hù)涂層和高性能切削工具等關(guān)鍵領(lǐng)域的材料創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供有力支撐。
 

　　“仿生曲率誘導(dǎo)”的金剛石超硬材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)制備。研究團(tuán)隊(duì)從含羞草葉片的曲率響應(yīng)中獲得仿生啟發(fā)，通過(guò)在石墨前驅(qū)體中引入微米級(jí)曲率結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)控和設(shè)計(jì)，從而主導(dǎo)金剛石的相變路徑與界面演化，構(gòu)建出立方—六方異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有效抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并耗散裂紋能量，實(shí)現(xiàn)了硬度與韌性的協(xié)同提升，為超硬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可控合成提供了新思路。
 

　　論文第一作者為馬孝慈博士、共同第一作者為王迪博士和連敏博士。朱品文教授、李全教授、陶強(qiáng)教授和崔田教授(寧波大學(xué))為論文共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、吉林省科技發(fā)展等項(xiàng)目資助，高溫高壓實(shí)驗(yàn)在綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置B1(固體環(huán)境高溫高壓)實(shí)驗(yàn)站完成。