近日，燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室田永君教授課題組溫斌教授與國內外科學家合作，在納米孿晶金剛石硬度機理的研究中取得重要進展，研究成果以“Dislocation behaviors in nanotwinned diamond”（納米孿晶金剛石位錯行為）為題于2018年9月21日在線發表在Science Advances上。

      金剛石是自然界中最硬的材料，被廣泛用于科學研究和工業等許多領域。2014年，燕山大學田永君教授課題組通過壓縮洋蔥碳合成的納米孿晶金剛石，其硬度是單晶金剛石硬度的兩倍，創造了材料硬度新的世界紀錄，但其硬化機理還不明確。如何理解納米金剛石的超硬機理就成為當前超硬材料研究的一個主要課題。通過超硬機理的研究，不僅對硬度本質的理解具有重要的科學意義，而且可以為設計具有更高硬度的新材料提供新的策略。針對這一問題，研究者們首先通過分析納米孿晶金剛石中位錯性質，將位錯的滑移劃分為三種模式：塞積穿透模式、受限滑移模式及平行孿晶界滑移模式。然后，通過分子動力學方法，計算了三種位錯滑移模式各自的臨界分切應力(圖1)。最后，根據Sachs模型，獲得了不同孿晶厚度納米孿晶金剛石的硬度，其計算值與實驗結果很好的吻合(圖2)。該研究結果表明，納米孿晶金剛石高的硬度主要取決于兩個因素：一是金剛石高的晶格摩擦力，另外一個是由霍爾佩奇效應引起的高的非熱激活應力。

圖1 納米孿晶金剛石臨界分切應力的計算值

圖2 納米孿晶金剛石硬度的計算值和實驗值比較

      燕山大學為論文第一單位，燕山大學博士生肖建偉為第一作者，通訊作者為溫斌教授。該項研究工作得到了國家自然科學基金項目的資助（項目編號：51771165，51372215，51332005）。