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2023/09/26

金沙澳门唯一官网手机版(中国)科技有限公司在超硬共价材料室温自修复研究中取得重要进展

亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 张春祥 科学技术研究院 侯明玉

【新闻中心讯】在国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持下,金沙澳门唯一官网手机版(中国)科技有限公司亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君教授团队与北京航空航天大学化学学院郭林教授团队等通力合作,揭示了室温下纳米孪晶金刚石复合材料裂纹的自修复行为。这一重大发现突破了人们对金刚石材料的传统认识,相关成果于2023年9月21日在线发表于Nature Materials(文章链接:https://www.nature.com/articles/s41563-023-01656-4,Self-healing of fractured diamond)。

2020年,金沙澳门唯一官网手机版(中国)科技有限公司与北京航空航天大学等合作单位共同提出了一种金刚石增韧的创新方法,通过多级结构调控,成功合成了一种金刚石复合材料。这种材料由共格的金刚石多型体、交织的3C金刚石纳米孪晶和互锁的金刚石纳米晶粒自下而上组装而成。通过这种全新的显微结构设计,材料在保持200GPa硬度的同时,纳米孪晶增韧、层叠复合增韧和相变增韧等机制协同作用,将金刚石材料的断裂韧性提高到26.6MPa×m0.5,约为合成金刚石的5倍,高于镁合金,与铝合金相当。这一成果2020年发表在《自然》杂志上(Nature 2020, 582, 370-374)。研究人员在纳米孪晶金刚石复合材料断裂韧性的表征过程中,首次观察到了试样中裂纹的自愈合现象。

金沙澳门唯一官网手机版(中国)科技有限公司团队与北京航空航天大学团队对纳米孪晶金刚石复合材料裂纹的自愈合行为开展了深入研究,采用原位扫描电镜和透射电镜力学测试方法,从介观到微观再到原子尺度,系统地表征了纳米孪晶金刚石复合材料自愈合行为,并进行了单晶金刚石对照实验。研究结果显示,在无外部压力的情况下,室温下完全断裂的纳米孪晶金刚石复合材料表现出卓越的裂纹自修复能力,其自愈合效率约为34%,明显高于单晶金刚石的6.7%(图1)。原子分辨的原位观察揭示,纳米孪晶复合材料在断口表面形成了sp2和sp3混合杂化的非晶碳组织(图2),这些碳原子在接触后重新键合,从而实现了材料的自修复(图3)。

这项工作为设计和开发高耐久性和抗断裂的脆性陶瓷材料开辟了新途径,同时也为强共价键自愈合材料的开发和使用提供了重要指导。金沙澳门唯一官网手机版(中国)科技有限公司的聂安民和田永君、北京航空航天大学的岳永海和郭林为该文章的通讯作者。(编辑 岳睿燕)

图1. 断裂的ntDC/DSC的自修复行为的定量评估

图2. 纳米孪晶金刚石复合材料微观结构及其断裂表面sp2和sp3混合杂化的非晶碳组织(DO)TEM图

图3. 原子相互作用力由排斥转变为吸引随后C-C重新成键