燕山大学田永君:具有特殊韧性的分级结构金刚石复合材料

关键词 金刚石 , 田永君|2020-06-19 10:46:06|来源 科教头条
摘要 众所周知,硬度和韧性(抗断裂性)之间的折衷使得同时提高两种性能具有挑战性,尤其是在金刚石中。可以通过纳米结构策略来提高金刚石的硬度,其中高密度纳米级孪晶的形成(通过对称性关联的晶体...

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众所周知,硬度和韧性(抗断裂性)之间的折衷使得同时提高两种性能具有挑战性,尤其是在金刚石中。可以通过纳米结构策略来提高金刚石的硬度,其中高密度纳米级孪晶的形成(通过对称性关联的晶体区域)也可以使金刚石增韧。在除金刚石以外的材料中,还有其他一些有希望的增强韧性的方法,例如生物启发的层压复合材料增韧,相变增韧和双相增韧,但是对金刚石这种材料的研究很少。


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2020年6月17日,燕山大学田永君,周向峰及北京航空航天大学郭林共同通讯在Nature 在线发表题为“Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness”的研究论文,该研究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。单边缘缺口梁测试的韧性是合成金刚石10的五倍,甚至比镁合金还高。

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。


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