燕山大学在纳米孪晶金刚石硬度机理的研究中取得重要进展

　　在国家自然科学基金项目（项目编号：51771165，51372215，51332005）等资助下，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君教授课题组温斌教授与国内外科学家合作，在纳米孪晶金刚石硬度机理的研究中取得重要进展，研究成果以“Dislocation Behaviors in Nanotwinned Diamond”（纳米孪晶金刚石的位错行为）为题，于2018年9月21日在Science Advances（《科学进展》，Science期刊的第一个综合性子期刊）上在线发表，论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaat8195。

　　金刚石是自然界中最硬的材料，被广泛用于科学研究和工业等许多领域。2014年，田永君教授课题组通过压缩洋葱碳合成纳米孪晶金刚石，其硬度是单晶金刚石硬度的两倍，创造了材料硬度新世界纪录，但其硬化机理还不明确。如何理解纳米金刚石的超硬机理就成为当前超硬材料研究的一个主要课题。通过超硬机理研究，不仅对硬度本质的理解具有重要科学意义，而且可以为设计具有更高硬度新材料提供新策略。针对这一问题，研究者们首先通过分析纳米孪晶金刚石中位错性质，将位错滑移划分为三种模式：塞积穿透模式、受限滑移模式及平行孪晶界滑移模式。然后，通过分子动力学方法，计算三种位错滑移模式各自临界分切应力(图1)。最后，根据Sachs模型，获得不同孪晶厚度纳米孪晶金刚石硬度，其计算值与实验结果很好吻合(图2)。该研究结果表明，纳米孪晶金刚石高的硬度主要取决于两个因素，一是金刚石高晶格摩擦力，另外一个是由霍尔佩奇效应引起的高的非热激活应力。

图1. 纳米孪晶金刚石临界分切应力的计算值

图2. 纳米孪晶金刚石硬度的计算值和实验值比较