燕山大学田永君院士团队：新型纳米孪晶金刚石结构，硬度668GPa！

来源：材料科学与工程

导读：本文通过在金刚石中引入相交孪晶界，研究了具有新颖微观结构金刚石的力学性能。系统地分析了该设计金刚石的四种滑移模式下的39种滑移系统。通过模拟计算得知int-金刚石的硬度要比nt-金刚石高得多。硬化机制归因于相交的孪晶界，它们阻碍了位错运动，从而导致CRSS的增加。本研究为实验设计新型超硬材料提供了一种新的策略。

钻石是世界上最坚硬，但可压缩性最低的晶体材料。认识和进一步改善其硬度在科学技术的道路上非常重要。在过去的几十年中，已经在这方面付出了许多努力。已经证明的是，金刚石的硬度可以根据霍尔佩奇效应，即通过改变晶粒尺寸等来改善。

例如，纳米晶金刚石（ng-金刚石）晶粒尺寸为10-30nm已被报道努氏硬度高达110-140GPa，比单晶金刚石的硬度显著提升。纳米双晶金刚石（nt-金刚石）通过压缩纳米结构合成，平均双晶厚度约5-8nm，最近有报道称其维氏硬度175-200GPa，创造了新的世界纪录。nt-金刚石的硬度可以进一步提高吗？这对于设计新的超硬材料是潜在的科学问题。

 来自燕山大学田永君院士团队的温斌教授等，与美国芝加哥大学的王雁宾教授合作，利用分子动力学(MD)计算探讨了纳米孪晶界(TBs)对nt-金刚石的影响，并开发了一种新型交叉纳米孪晶金刚石(int-金刚石)结构，经过计算预测硬度比nt-金刚石更高。相关论文以题为“Interpal nanotwinned diamond-the hardest poly crystalline diamond by design”发表在npj Computational Materials。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41524-020-00387-3

本研究基于Burgers矢量与位错线之间的夹角为0°位错的行为分析金刚石的硬度。在一个int-金刚石晶粒中具有两个不同取向的孪晶界共存并交织，根据位错线方向及滑移面方向可将滑移模式分为四种类型：滑移（ST）模式、限制层滑（CLS）模式、限制滑移转移模式Ⅰ和限制滑移转移模式Ⅱ。由于这些滑动模式与孪晶交互作用不同，所以四种模式的临界分切应力（CRSS）不同。

在ST模式时位错在孪晶内滑移，对应的CRSS由晶格摩擦应力和孪晶内位错的能量势垒确定；在CLS模式时，位错线在两个孪晶内，位错运动被两个孪晶和CRSS的限制可通过位错能来评价；在CTS-Ⅰ，0°位错限制在两个孪晶界之间，到达孪晶时变为60°位错，CRSS取决于60°位错与孪晶反应的能量势垒和位错能；对于CTS-Ⅱ模式，位错运动类似于CTS-Ⅰ，能量势垒由与孪晶界反应的0°位错确定。随着切应力的增加，与孪晶界反应的0°和60°位错的激活能分别在19GPa和48GPa的切应力下达到0，这些应力被认为是位错各自的能量势垒。    图1 int-金刚石微结构及其滑动模式示意图

通过Sachs模型模拟金刚石的硬度，在孪晶层厚度为0.62nm时，int-金刚石的硬度为668GPa，比nt-金刚石（401GPa）高约67%。采用MD模拟研究了多晶金刚石的屈服强度，孪晶厚度为5.5和1.2nm时，int-金刚石的屈服强度为165GPa；nt-金刚石屈服强度分别为154和161GPa；ng-金刚石屈服强度为140GPa，这些结果进一步证实了Sachs模型的模拟结果。

图2 模拟计算的int-金刚石、nt-金刚石和ng-金刚石的应力-应变曲线