金刚石力学性能研究获进展

最近，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永军院士团队和浙江大学十字力学中心杨伟院士团队，借助自主研发的原位微纳力学实验平台，成功实现了金刚石的超高弹性应变(抗拉强度)和室温下位错诱发的塑性变形。研究成果已先后发表在《自然-传播》和《物质》杂志上。

据介绍，金刚石是自然界中已知的最坚硬的材料，广泛应用于珠宝、机械、半导体、铁砧和新型微纳操作行业和领域。它是一种不可或缺的战略物资，受到了世界上所有工业发达国家的高度重视。然而，金刚石块在室温下易脆，测得的弹性应变小于2%，传统观点认为它们不具备塑性变形能力，这严重限制了金刚石的潜在应用。

燕山大学与浙江大学合作，利用自主开发的原位微纳力学实验平台，在透射电子显微镜下对金刚石纳米针进行了原位弯曲实验。实验结果表明，金刚石纳米针的最大拉伸应变与尺寸、晶体取向和表面粗糙度有很大关系。值得注意的是，该团队在金刚石纳米针中实现了高达13.4%的可恢复拉伸应变，相应的拉伸强度为125 GPa，这是迄今为止通过实验获得的金刚石的最高强度值。如此大的弹性应变可以在很大范围内调控金刚石的带隙，这将进一步推动金刚石作为新一代理想半导体材料在柔性光电器件、生物传感器和纳米机械操作器中的应用研究。

随后，两个团队利用燕山大学自主研发的纳米孪晶金刚石作为压头，成功实现了单晶金刚石微纳圆柱体的单轴压缩，并在室温下原位观察到单晶金刚石的位错主导塑性变形，解决了金刚石是否具有室温塑性的长期争议。一方面，本研究证实了最硬最脆的金刚石在微纳米尺度上具有位错滑移诱导的室温塑性；另一方面，它发现了面心立方晶体中非致密面上会出现位错滑移的奇怪现象，打破了材料科学教科书中的传统认识。

研究结果表明，微纳尺度金刚石单晶表现出良好的弹性和一定的塑性变形能力，颠覆了研究者对金刚石力学性能的传统认识，为今后通过尺寸和结构调节来提高金刚石材料的韧性和塑性提供了科学依据。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-019-13378-w

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.011