中國科學院與北航團隊研發出嵌入碳納米管的鑽石複合材料 提高抗裂性五倍而不損失硬度

來自中國科學院與北京航空航天大學的研究團隊成功解決了材料科學中長期存在的一個問題。他們在不降低鑽石硬度的情況下，使鑽石的韌性得到了提升。這一突破的關鍵在於將碳納米管以三維網絡的形式直接編織進鑽石結構中。最終的複合材料達到了單晶鑽石的五倍抗裂韌性，同時保持了與天然材料難以區分的硬度。該研究的論文題為《通過原子界面連續性製備的多壁碳納米管網絡增韌鑽石複合材料》，主要貢獻者為張嘉偉、邱克良與餘曉輝。

報告的抗裂韌性約為 31.9 MPa m^1/2，而單晶鑽石的抗裂韌性通常約為 6 MPa m^1/2。新材料的硬度約為 91.6 GPa，明顯位於天然與合成鑽石的範圍內。

韌性提升與硬度保持

鑽石的脆性問題由來已久。對於某些劈裂面施加精確的打擊可能會使一顆鑽石破碎，而其他物質卻無法對其造成劃痕。這一現象並非自然界的偶然。賦予鑽石硬度的碳鍵同時使其在面對裂縫時顯得不夠靈活。以往的研究者採用了內在增韌策略：通過納米孿生、堆疊缺陷或非晶相來改變鑽石的內部微結構。這些方法雖然提高了韌性，但通常會在某種程度上犧牲硬度。此次研究則採取了不同的途徑，團隊將其歸類為外在增韌。

研究團隊在合成過程中引入了一種增強結構：一個三維的多壁碳納米管連續網絡。最終的結果是他們所稱的納米管網絡與周圍鑽石之間的原子界面連續性。

多壁碳納米管的直徑極其微小，約為人類頭髮寬度的千分之一，單根納米管在任何光學顯微鏡下都無法被察覺。其抗拉強度是鋼的數十倍。在納米管與鑽石基體接觸的地方，鍵合是 sp₃（如同鑽石）和 sp₂（如同石墨和納米管）雜化的混合形式。這些混合的 sp₂-sp₃ 界面將機械應力分散到整個複合材料中，而不是讓它集中於單一的裂縫尖端。這種集中是鑽石通常破裂的機制。最終的結果是，材料通過納米管網絡吸收和偏轉裂縫的擴展，而不是沿著劈裂面發生災難性的失效。

作者報告稱，這一韌性水平超過了用於穿甲彈的鎢合金，而硬度保持不變。

擴大工業應用的潛力

目前，依賴鑽石的工業應用（如切割工具、鑽探設備和精密磨削）普遍接受脆性作為不可避免的限制，並圍繞這一缺陷進行設計。航空航天元件和高性能耐磨表面面臨特別苛刻的衝擊與磨損組合，這使得傳統鑽石達到了極限。能夠保留鑽石硬度的同時具備結構金屬合金抗裂性的材料，將顯著擴大這些應用的操作範圍。此項研究建立在先前對鑽石複合材料的研究基礎上。2020 年一篇發表於《自然》期刊的論文通過層級結構實現了高韌性，但未能完全保留硬度。

通過確立外在的基於納米管的結構能夠清晰解決這一權衡，這篇論文引入了一種超硬複合材料的新設計策略。該研究首次發表於《自然合成》期刊。

新材料的設計策略與應用前景

這項研究的突破在於成功解決了鑽石材料的脆性問題，並且在不影響其硬度的情況下顯著提升了韌性。這對於依賴鑽石的工業應用來說，尤其是在切割工具和耐磨表面等領域，具有重要意義。新材料的設計策略不僅提供了一種外在增韌的方法，還為未來的材料科學研究開啟了新的方向，可能會改變現有的工業設計思路。