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 據(jù)悉，近日，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君教授課題組溫斌教授與國(guó)內(nèi)外科學(xué)家合作，在納米孿晶金剛石硬度機(jī)理的研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以“Dislocation behaviors in nanotwinned diamond”（納米孿晶金剛石位錯(cuò)行為）為題于2018年9月21日在線發(fā)表在Science Advances上，論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaat8195。Science Advances是Science的第一個(gè)綜合性子期刊。

金剛石是自然界中最硬的材料，被廣泛用于科學(xué)研究和工業(yè)等許多領(lǐng)域。2014年，我校田永君教授課題組通過壓縮洋蔥碳合成的納米孿晶金剛石，其硬度是單晶金剛石硬度的兩倍，創(chuàng)造了材料硬度新的世界紀(jì)錄，但其硬化機(jī)理還不明確。如何理解納米金剛石的超硬機(jī)理就成為當(dāng)前超硬材料研究的一個(gè)主要課題。通過超硬機(jī)理的研究，不僅對(duì)硬度本質(zhì)的理解具有重要的科學(xué)意義，而且可以為設(shè)計(jì)具有更高硬度的新材料提供新的策略。針對(duì)這一問題，研究者們首先通過分析納米孿晶金剛石中位錯(cuò)性質(zhì)，將位錯(cuò)的滑移劃分為三種模式：塞積穿透模式、受限滑移模式及平行孿晶界滑移模式。然后，通過分子動(dòng)力學(xué)方法，計(jì)算了三種位錯(cuò)滑移模式各自的臨界分切應(yīng)力(圖1)。最后，根據(jù)Sachs模型，獲得了不同孿晶厚度納米孿晶金剛石的硬度，其計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合(圖2)。該研究結(jié)果表明，納米孿晶金剛石高的硬度主要取決于兩個(gè)因素：一是金剛石高的晶格摩擦力，另外一個(gè)是由霍爾佩奇效應(yīng)引起的高的非熱激活應(yīng)力。

圖1 納米孿晶金剛石臨界分切應(yīng)力的計(jì)算值

圖2 納米孿晶金剛石硬度的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值比較