金剛石憑借其無(wú)與倫比的硬度、優(yōu)異的熱導(dǎo)率、寬帶隙和光學(xué)透明性，在精密加工、電子器件及光學(xué)領(lǐng)域備受矚目。然而，其固有的脆性和有限的韌性長(zhǎng)期制約了其在抗沖擊、抗裂性需求場(chǎng)景中的應(yīng)用拓展。近日，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君院士團(tuán)隊(duì)在頂級(jí)期刊《Nature Materials》發(fā)表題為《Microstructure engineering in diamond-based material》的綜述論文，系統(tǒng)總結(jié)了通過(guò)微結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)提升金剛石及其衍生材料性能的最新突破，為下一代超硬材料技術(shù)發(fā)展指明方向。

       微結(jié)構(gòu)工程破解性能瓶頸

       論文指出，基于高壓高溫（HPHT）技術(shù)及碳前驅(qū)體材料的創(chuàng)新選擇，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了金剛石微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控，開(kāi)發(fā)出納米孿晶金剛石、層級(jí)結(jié)構(gòu)金剛石復(fù)合材料、石墨-金剛石雜化材料Gradia及非晶金剛石等系列創(chuàng)新材料（圖1）。這些突破性成果不僅顯著提升了金剛石的硬度和韌性，還賦予其多功能特性：

       硬度突破極限：通過(guò)晶粒和孿晶結(jié)構(gòu)調(diào)控，利用Hall-Petch效應(yīng)與量子限域效應(yīng)，納米孿晶金剛石的維氏硬度達(dá)175-203 GPa，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)單晶金剛石；

       韌性協(xié)同提升：特殊界面結(jié)構(gòu)和復(fù)合相設(shè)計(jì)破解了硬度與韌性難以兼得的難題，材料抗沖擊性與耐磨性實(shí)現(xiàn)跨越式突破；

       多功能拓展：低密度碳同素異形體（石墨、富勒烯等）在HPHT下轉(zhuǎn)化為新型金剛石基材料，為電學(xué)、光學(xué)性能調(diào)控提供新路徑。

圖1：不同低密度碳前驅(qū)物經(jīng)HPHT合成的多樣化金剛石基材料微結(jié)構(gòu)示意圖。

       新興現(xiàn)象與技術(shù)前瞻

       研究還揭示了金剛石基材料中非共格孿晶界演變、室溫自愈合等新現(xiàn)象，并展望了未來(lái)研究方向：

       大尺寸制備：開(kāi)發(fā)直徑超3毫米的高質(zhì)量納米孿晶金剛石，滿(mǎn)足金剛石壓砧裝置需求；

       理論極限探索：將孿晶厚度縮減至約0.618納米以逼近硬度極限；

       自愈合技術(shù)應(yīng)用：探索該現(xiàn)象在陶瓷鍵合等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化潛力。

       引領(lǐng)超硬材料技術(shù)革命

       該綜述由燕山大學(xué)獨(dú)立完成，通訊作者為聶安民、趙智勝、徐波和田永君院士。研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金（52288102、52090022）及河北省自然科學(xué)基金（E2024203054、E2022203109）支持。團(tuán)隊(duì)通過(guò)HPHT技術(shù)與納米結(jié)構(gòu)工程的深度融合，不僅為金剛石材料的高效應(yīng)用提供新范式，更為電子、光學(xué)、極端環(huán)境裝備等領(lǐng)域的革命性技術(shù)突破奠定科學(xué)基礎(chǔ)。