PNAS：择优取向纳米孪晶束金刚石中的极端力学各向异性

Nanoyu

2021-11-24

采用纳米结构策略可以大大提高共价材料的力学性能。例如，具有交织的纳米孪晶和互锁的纳米颗粒的各向同性微结构的纳米孪晶金刚石显示出前所未有的各向同性的力学性能。而关于各向异性微结构对金刚石力学性能的影响尚未得到深入研究。

近日，燕山大学Ke Tong，赵智胜教授，徐波教授报道了成功地从超取向多壁碳纳米管（MWCNT）薄膜中通过高压高温（HPHT）相变合成了具有择优取向的纳米孪晶结构的金刚石。

文章要点

1）透射电子显微镜(TEM)表征结果显示，合成的金刚石具有独特的微观结构（即择优取向的纳米孪晶束与超取向MWCNT薄膜的前驱体密切相关）。

2）该金刚石在纳米孪生束的取向上表现出极大的各向异性。值得注意的是，得益于2.9 nm的极小孪晶厚度，最大努普硬度高达241 GPa，压头的长对角线垂直于纳米孪晶束，比之前的记录高出20%以上。

3）压痕过程的分子动力学(MD)模拟也证实了硬度相对于纳米孪晶束的变化趋势。此外，由压痕断裂韧度测量引起的裂纹的TEM观察结果显示，由于TBs的阻力不同，裂纹在垂直于纳米孪晶束的方向上受到严重的约束，而在沿TBs方向上的约束要小得多。因此，前者具有比后者短得多的裂纹长度。

研究工作通过纳米结构验证了金刚石的硬化效应。此外，通过组织设计和改性，可以进一步调整力学性能（各向异性）。

参考文献

Yilong Pan, et al, Extreme mechanical anisotropy in diamond with preferentially oriented nanotwin bundles, PNAS, 2021

DOI: 10.1073/pnas.2108340118

https://doi.org/10.1073/pnas.2108340118