亚稳材料是热力学上处于亚稳状态的一大类材料，具有许多常规稳态材料所不具备的奇异性能。新型亚稳材料一直是人类所发现的新物质和新材料家族中的重要成员，而高性能亚稳材料是推动人类社会进步的重要支柱之一。碳是构成有机生命体的基础元素，在人类日常生活和物质生产中均发挥着不可或缺的独特作用。碳和氮化硼具有sp、sp2和sp3杂化成键方式，因此可以形成具有独特物理和化学性能的多种同素异形体，这些同素异形体通常以亚稳状态存在，其中一些同素异形体的出现极大地促进了人类科学技术的发展进程。
图1：燕山大学“科学家讲科学”科普讲座现场
我们的研究聚焦在碳和氮化硼两个材料体系，利用压力与温度调控各种构型前驱体的动力学转变路径，发现了全新的固态相变机制，实现了碳和氮化硼材料组织结构的精细调控，发展出了极硬纳米孪晶金刚石和立方氮化硼（最硬材料）、超硬自润滑的石墨-金刚石杂交碳（以Gradia命名）、系列非晶碳（含最硬非晶材料）、导电超硬的非晶碳/金刚石复合材料、室温高弹塑性的转角层状氮化硼陶瓷以及高密封性和超弹性的“橡胶”碳等新型和高性能亚稳材料，产生了具有自主知识产权的原创性研究成果，形成了独具特色的设计策略和关键制备技术，为未来满足国家重大需求和工程应用打下了坚实基础。下面我们以Gradia和室温高弹塑性的转角层状氮化硼陶瓷为例来进行介绍：
一、揭示石墨/金刚石直接相变机理并创制出石墨-金刚石杂交碳（Gradia）
石墨和金刚石是自然界中最常见的碳材料。从石墨到金刚石的直接转变通常在高温高压的“黑盒子”里进行，相变机理一直存在很大争议。我们在静高压下部分相变的石墨样品中观察并确定了石墨和金刚石之间的共格界面结构，进而阐明了静高压下石墨/金刚石相变机理：石墨层通过两种菱形结构基元和两种矩形结构基元局部键合形成共格界面，通过共格界面向石墨区域的推进，实现石墨到金刚石的转变。这种全新的固/固相变机制不同于经典的成核生长和协同切变机制，并可适用于其他的共价材料的固-固相变过程。
通过控制石墨到金刚石相变的进程，创制出了石墨-金刚石杂交碳，并将这类材料命名为Gradia。它是由纳米结构石墨和金刚石单元界面共格且交替生长的一类新型碳材料，集合了石墨和金刚石的性能优势，展现出超高的硬度、韧性和可调的导电性。Gradia的努氏硬度在51-115 GPa之间可调，室温电阻率在8×10-4-4.9×105 Ω·m之间可调。Gradia的韧性很高，在5 kg载荷下样品表面未观察到明显的径向裂纹；相比而言，纳米聚晶金刚石和单晶金刚石的裂纹明显。同时，由于组织结构中纳米石墨相的存在，Gradia还具有出色的自润滑特性。通过调控石墨和金刚石的比例可实现对Gradia性能的精准调控，使其成为具有导电/超硬、自润滑/超强、极硬/高韧等优异性能组合的新一代高性能碳材料。
二、创制出具有室温高弹塑性的转角层状氮化硼陶瓷
陶瓷在室温下几乎无塑性，仅经历很小的弹性变形就会发生脆性断裂，引发灾难性事故，这是陶瓷作为工程材料的致命弱点。自陶瓷问世以来，人们一直梦想能制造出像金属那样在室温可产生永久变形的塑性陶瓷。遗憾的是，人们仅能在高温或微纳尺度下观察到陶瓷的塑性变形行为，实现陶瓷块材室温塑性这一科学目标一直面临巨大挑战。
图2：燕山大学赵智胜教授
我们采用功能基元序构的设计策略，通过调控高能亚稳态到低能亚稳态的固态相变，合成出层状基元转角序构的氮化硼陶瓷。这种转角层状氮化硼陶瓷块材具有高的室温变形能力：单轴压缩的断裂应变高达14%，比传统陶瓷块材高出一个数量级。这种陶瓷的强度是传统层状六方氮化硼陶瓷的6~10倍，卸载后的永久塑性变形高达8%，打破了结构材料强度和塑性难以同时提升的传统认知。转角层状氮化硼陶瓷不仅具有高强度和高塑性，还具有高的能量吸收能力和抗疲劳性，有望进一步研制出高性能的密封件、阻尼元件、防护装甲等产品。该研究的设计和合成策略可拓展到其他层状材料体系，如石墨、MAX相陶瓷等，为开发塑性陶瓷提供了借鉴。
