極硬材料合成研究獲重大突破

中國材料科學家、燕山大學田永君教授領導的研究團隊與吉林大學馬琰銘教授和美國芝加哥大學王雁賓教授合作，繼2013年合成出極硬納米孿晶立方氮化硼之后再次取得突破，在高溫高壓下成功地合成出硬度兩倍于天然金剛石的納米孿晶結構金剛石塊材。研究成果發表在2014年6月12日的《自然》雜志上。 天然金剛石在2 700多年前被發現以來，一直被公認為自然界中的最硬材料。1955年美國通用電氣公司利用高溫高壓技術在實驗室成功地合成出人造金剛石單晶，掀開了金剛石工業應用的新篇章，成為超硬材料研究的里程碑，從此合成出比天然金剛石更硬的新材料就變成了科學界和產業界的共同夢想。

但是經過多年努力之后，科學家們開始對實現這一夢想感到失望。英國劍橋大學卡文迪許實驗室的兩位學者就曾撰寫一篇題為“比金剛石更硬：只是幻想”的文章，指出：“事實上，到目前為止既沒有發現天然材料也沒有發現合成材料比天然金剛石更硬，而且能夠合成出比天然金剛石更硬的材料幾乎是不太可能的”。

2013年，田永君教授研究團隊首先利用洋蔥結構氮化硼前驅物在高壓下成功地合成出納米孿晶結構立方氮化硼，其硬度超過了人造金剛石單晶。納米孿晶立方氮化硼的成功合成開辟了一個同時提高材料硬度、韌性和熱穩定性的新途徑。

到目前為止，通過石墨、非晶碳、玻璃碳和C60等碳前驅體的高壓相變還不能獲得納米孿晶結構金剛石。為此，田永君教授研究團隊及其合作者開始研究洋蔥碳在高溫高壓下的相變過程。在較低溫度下洋蔥碳在形成納米孿晶結構立方金剛石的同時還共生出一種單斜結構的金剛石；在較高溫度下，碳洋蔥轉變成了單相的納米孿晶結構金剛石，孿晶的平均厚度小到5 nm。這種納米孿晶金剛石具有從未有過的硬度和穩定性：維氏硬度約為天然金剛石的兩倍，空氣中的起始氧化溫度比天然金剛石高出200 ℃以上。