- 萊斯大學開發的新技術能在低壓下穩定鑽石，製造耐用複合材料。
- 研究團隊設計的多材料混合物避免了極端壓力，實現大規模生產。
- 高速度碰撞實驗顯示複合材料在極端條件下的機械極限。
- 鑽石轉變為石墨的過程能吸收碰撞能量，提升材料強度。
一項由萊斯大學開發的新製造技術能夠在低壓下穩定鑽石，從而產生一種密實且耐用的複合材料。該研究發表於《材料今日》期刊，展示瞭如何通過結合粉末材料來克服以往的製造障礙。研究還記錄了超音速投射物撞擊鑽石時，如何在百萬分之一秒內使其轉變為石墨，這一快速的相變化能夠吸收動能。該研究的首席作者阿比吉特·比斯瓦斯（Abhijit Biswas）表示：「這一過程製成的複合材料幾乎無法加工且具有韌性，因為其內部分散了鑽石顆粒，這可能幫助研究人員設計出更為堅固的材料，用於航空航天、國防及其他面對極端條件的技術。」
小型鑽石顆粒便宜且易於製造，但將其綁定為大型固體形狀卻十分困難。燒結法利用熱和壓力將鬆散的顆粒熔合為固體。在高温下，鑽石自然會分解為柔軟的石墨，除非在極高的壓力下保持其形狀。標準的高壓高温方法能製造多晶鑽石，但所需的壓力限制了製造物體的物理尺寸。
新技術的製造過程
為了在不使用巨大壓力的情況下保持鑽石的完整性，研究團隊設計了一種多材料混合物。他們將立方氮化硼添加到細鑽石顆粒中，因為這兩種物質具有相似的物理特性。他們還添加了鈷作為粘合劑，以在加工過程中穩定混合物。科學家隨後使用火花等離子燒結技術對這種混合粉末進行壓實，這是一種快速方法，能同時施加熱量和壓力，將粉末熔合為密實固體。這一燒結方法生產出一種強韌的塊狀複合材料，其中鑽石顆粒被包裹在連續的立方氮化硼結構中，鈷則均勻分佈於材料內部。
嵌入的鑽石顆粒使得這種複合材料幾乎無法加工。由於該技術避免了極端壓力，因此為大規模生產基於鑽石的部件提供了一種實用的方法。
複合材料的機械性能
團隊通過高速度碰撞實驗評估了該複合材料的機械極限。「研究人員以超音速的速度向複合材料發射直徑為 1-4 毫米的小金屬投射物，」萊斯大學在新聞稿中解釋道。在以超過音速七倍的速度撞擊下，複合材料保持完整並抵抗破壞。當被更大速度的投射物撞擊時，材料出現了破裂。為了研究破損情況，團隊分析了破裂表面，並進行了分子動力學計算機模擬，追蹤原子運動。「我們發現，極端撞擊能在微秒內將鑽石變為石墨，而不是通過通常與此轉變相關的較慢熱驅動過程。」
比斯瓦斯補充道。「這給了我們一種新的視角，瞭解鑽石在一些最苛刻的機械條件下的行為。」
鑽石和石墨都由純碳組成，但它們不同的原子排列使得鑽石堅硬而石墨柔軟。這一轉變並不是通過標準處理中典型的緩慢熱驅動降解而發生的。相反，超音速撞擊的力量和震動促使原子瞬間重新排列。隨著鑽石轉變為石墨，結構的變化吸收了碰撞能量，提高了材料抵抗嚴重機械力的能力。「瞭解材料在受力下如何改變其結構和相，以及其強度和硬度，將有助於指導未來保護材料的設計。」比斯瓦斯總結道。
鑽石材料在極端條件下的應用潛力
這項研究展示了如何在不需要高壓的情況下製造堅固的鑽石複合材料，這對於航空航天和國防等領域具有重要意義。隨著技術的發展，能夠在極端條件下保持材料的完整性，將有助於設計更安全、更耐用的部件，並可能改變現有材料的應用方式。理解材料在極端機械條件下的行為，對未來的材料科學研究將提供寶貴的指導。