摘  要

       以往研究發現，納米多晶金剛石的硬度可超越單晶金剛石，因此利用石墨制備納米多晶金剛石獲得了廣泛研究。然而，由石墨碳源制備的金剛石同時具有均勻精細結構和層狀結構，其形成機理尚未獲得很好的理解。為此，針對不同層間距的石墨，進行了一系列分子動力學模擬。研究發現，不同受壓情況下石墨存在不同的相變行為，即在馬氏體轉變下獲得片層狀金剛石，而在擴散型相變下獲得無特定取向的精細納米金剛石。在靜水壓條件下，或者[002]方向上的壓力大于橫向壓力且石墨層滑移不受限時，石墨將轉化為層狀結構立方金剛石；當[002]方向上的壓力大于橫向壓力，但石墨層橫向滑移受阻時，石墨轉化為多晶六方和立方金剛石混合物；當最大壓力方向在[210]或[010]方向時，石墨轉化為無特定取向的均勻多晶金剛石。通過原子運動的微觀尺度分析，揭示了由石墨制備的納米多晶金剛石同時具有均勻精細結構和層狀結構的機理，有望為大規模合成超硬納米多晶金剛石提供理論支持?！?/p>

       關鍵詞：納米多晶，金剛石，石墨，相變，分子動力學，高溫高壓

        圖  3  3類受壓情況下的典型應力-應變曲線：(a) d=0.315 nm（類型Ⅰ，[210]為最大壓力方向）；(b) d=0.260 nm，相變分兩階段進行（第1階段中，[002]為最大壓力方向，屬于類型Ⅱ；第2階段中，[210]為最大壓力方向，屬于類型Ⅰ）；(c) d=0.228 nm（第1次相變為石墨-金剛石相變，屬于類型Ⅲ，[002]方向為最大壓力方向；第2次相變為HD-CD相變）

       圖  4  具有不同層間距的石墨在沿x軸（[210]方向）壓縮下的部分模擬結果（橙色原子屬于HD相，藍色原子屬于CD相，灰色原子屬于石墨或非晶相。層間距較大時，獲得晶粒較大的CD多晶，且層間距越大，晶粒越?。粚娱g距較小時，獲得晶粒較小的金剛石多晶（HD和CD相混合），且層間距越小，晶粒越小 ）

       圖  5  3類受壓條件及靜水壓下石墨的結構演化：(a) d=0.315 nm（類型Ⅰ），石墨層在壓力作用下發生屈曲，隨后多個位點相變為CD；(b) d=0.260 nm，第1階段（類型Ⅱ）石墨發生馬氏體相變，生成層狀結構CD，第2階段剩余石墨層傾斜并進一步相變為CD（類型Ⅰ）；(c) d=0.228 nm（類型Ⅲ），多個位點同時產生取向不一的HD核；(d) 靜水壓模擬結果

       同行評價

       本論文采用LAMMPS模擬軟件，基于分子動力學法，模擬了不同層間距的六方石墨在不同受壓情況下的相變行為。在原子運動尺度揭示了多晶石墨制備納米多晶金剛石的微觀機理，對大規模合成納米聚晶金剛石提供了理論指導。文章整體邏輯清晰，工作量較為充足，具有較好的創新性，對金剛石合成有借鑒意義。