近期，亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室高压科学中心徐波教授、赵智胜教授与东华大学王连军教授合作，成功合成了兼具极高硬度与优异断裂韧性的异质结构金刚石-立方氮化硼复合块材。研究成果以Heterogeneous Diamond-cBN Composites with Superb Toughness and Hardness (兼具优异硬度和断裂韧性的异质结构金刚石-立方氮化硼复合材料)为题， 5月31日在线发表于Nano Letters。
金刚石和立方氮化硼作为两种主要的超硬材料，在现代工业和科学研究中发挥着重要的作用。如何同时提高超硬材料的硬度和断裂韧性一直是超硬材料研究面临的重要挑战之一。在以往的研究，田永君院士团队创新性地将纳米孪晶等结构引入cBN、金刚石晶粒内部，有效细化了材料的显微组织，实现了cBN、金刚石硬度、断裂韧性的协同提升。
近期，田永君院士团队提出了调控超硬材料力学性能的新思路。研究团队与王连军教授合作，采用静电自组装工艺，精心设计制备了洋葱碳纳米颗粒包覆六方氮化硼微米片(质量比1:1)前驱体，通过高温高压结构相变，成功合成了异质结构金刚石-立方氮化硼复合块材。块材中，由亚微米晶粒组成的片层结构立方氮化硼均匀嵌在纳米孪晶结构金刚石基体中，其显微组织结构与前驱体密切相关。这也是首次在强共价超硬材料中实现类似的异质结构。
异质结构金刚石-立方氮化硼复合块材的硬度(HK = 85 GPa)介于多晶cBN和纳米孪晶金刚石之间，抗氧化温度超过1000°C。更重要的是，受益于材料独特的异质结构，多种增韧机制同时作用(例如纳米孪晶增韧，与金刚石-立方氮化硼异质界面相联系的裂纹偏转/分叉/桥联、拉拔式断裂等)，材料断裂韧性高达16.9 MPa m0.5。该项研究展示显微结构工程在超硬材料领域中的效用，为合成综合性能更优的超硬材料提供了新的结构设计思路。
该工作得到了国家重点研发计划项目(2018YFA0703400、2018YFA0305900)和国家自然科学基金项目(52090020、52073245、51772260、51772259、U20A20238、91963203、51722209)的资助。共同第一作者为李宝忠和应盼，通讯作者为赵智胜教授和徐波教授。
论文链接为: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01716。
左图为异质结构金刚石-立方氮化硼复合块材的结构示意图
右图为异质结构金刚石-立方氮化硼复合块材和典型工程材料的硬度和断裂韧性
