Nature：分层结构的钻石复合材料，具有出色的韧性

Natt

2020-06-18

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，尤其是在钻石中。可以通过纳米结构化策略提高钻石的硬度，其中高密度纳米级孪晶的形成（对称性相关的晶体区域）也可以使钻石增韧。在除钻石以外的材料中，除纳米孪晶外，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，但是在钻石中对这种方法的研究很少。于此，燕山大学田永君院士、周向锋教授和北京航空航天大学郭林教授等人报道了钻石复合材料的结构表征，这些钻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。

本文要点：

1）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的五倍，甚至比镁合金还高。

2）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。

Yue, Y., et al. Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness. Nature 582, 370–374 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2361-2