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硬到底,回顾那些比金刚石还硬的材料探索之路
2018月10月09日 发布 分类:行业要闻 点击量:105
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在钻石晶体中,每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体。由于钻石中的C-C键键长较短,因此具有很强的抗变形能力、极高的硬度(HV=100GPa),且熔点极高。

 

长久以来,金刚石一直被认为是自然界中最硬的材料,但对于挑战钻石“超硬材料”宝座的尝试其实从未间断过。经过科学家多年的发现与尝试,通过人工制造甚至就在自然界中寻找,一样可以发现硬度不输钻石的物质。

 

 

 

硬度挑战的初尝试

β-C3N4晶体

1993年,在理论上预言的四年后,科学家们在实验室里人工合成了硬度超过金刚石的新材料——β-C3N4晶体。它是一种性能优异的非线性光学材料,由于其共价键键长较金刚石更短,因而具有超过金刚石的硬度。其晶体结构见下图。


 

但从目前的研究来看,氮化碳晶体的合成结果并不是很理想:研究人员发现,虽然XRD显示,C和N能够形成未极化的共价键,但无论如何改变实验参数,所制得的样品中N的百分率最高只能达到45%,与C3N4的理论百分率57%仍有不小的距离。

 

“碳家族”成员的强力来袭

钻石纳米棒聚合体

2005年8月22日应用物理通讯发表一家德国实验室领导人为Dubrovinskaia的研究成果:该实验室在200大气压,2226摄氏度高温下,用富勒烯布基球(碳60的球形结构)压缩成的钻石纳米棒聚合体(ADNR),其硬度可以比金刚石高百分之0.4;它可以将天然钻石刮花。ADNR的硬度来自于钻石纳米棒互相锁合的力量。


 

除此之外,还有1985年发现的碳纳米管,2004年发现的石墨烯;这些物质和金刚石都是碳的同素异形体,其单晶结构硬度都不亚于金刚石,在强度上更是可以超越金刚石。

 

“硬度挑战”的实质性突破

纳米孪晶立方氮化硼

2013年,燕山大学亚稳材料国家重点实验室田永君课题组以洋葱状碳为前驱体,成功制得纳米粒度仅为3.8 nm的超硬纳米孪晶的立方氮化硼,该成果已于当年在nature上发表。经实验证明,这种纳米孪晶的立方氮化硼在合理的加载力下,硬度均大于100 GPa,超过了人造金刚石单晶,它的成功合成开辟了一个同时提高材料硬度、韧性和热稳定性的新途径。


 

直径2毫米的纳米孪晶立方氮化硼材料

 

纳米孪晶金刚石

令人欣喜是,在2014年,同课题组的Quan Huang同样应用洋葱状碳为前驱体,制备出了孪晶金刚石,该成果打破了人工金刚石硬度低于自然金刚石这一长久以来的铁律,其维氏硬度达到了惊人的200 GPa,约为天然金刚石的两倍,且空气中的起始氧化温度比天然金刚石高出200摄氏度以上。


 

左图为纳米孪晶金刚石显微组织的典型透射电镜照片,右图为透明纳米孪晶金刚石样品的光学照片(合成压力20GPa,合成温度2000°C)

 

天然界中的硬度“无冕之王”

此外,有研究人员用金刚石研磨材料对1971年陨落到芬兰的海沃勒陨石进行切割时,发现其中含有比金刚石更坚硬的两种全新的天然碳晶体,其硬度比在地球内部形成的金刚石大得多。



 

法国里昂大学特里斯坦·费罗尔教授说:“这一发现纯属意外,不过我们确信研究这一陨石能够对钻石有新发现。”

 

粉体圈 作者:小榆


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