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      燕山大學在超硬共價材料室溫自修復研究中取得重要進展

      來源:愛銳頭條

      時間2023-10-11

      金剛石

      摘要:在國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持下,燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室田永君教授團隊與北京航空航天大學化學學院郭林教授團隊等通力合作,揭示了室溫下納米孿晶金剛石復合材料裂紋的自修復行為。


            在國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持下,燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室田永君教授團隊與北京航空航天大學化學學院郭林教授團隊等通力合作,揭示了室溫下納米孿晶金剛石復合材料裂紋的自修復行為。這一重大發現突破了人們對金剛石材料的傳統認識,相關成果于2023年9月21日在線發表于Nature Materials(文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41563-023-01656-4,Self-healing of fractured diamond)。


            2020年,燕山大學與北京航空航天大學等合作單位共同提出了一種金剛石增韌的創新方法,通過多級結構調控,成功合成了一種金剛石復合材料。這種材料由共格的金剛石多型體、交織的3C金剛石納米孿晶和互鎖的金剛石納米晶粒自下而上組裝而成。通過這種全新的顯微結構設計,材料在保持200GPa硬度的同時,納米孿晶增韌、層疊復合增韌和相變增韌等機制協同作用,將金剛石材料的斷裂韌性提高到26.6MPa×m0.5,約為合成金剛石的5倍,高于鎂合金,與鋁合金相當。這一成果2020年發表在《自然》雜志上(Nature 2020, 582, 370-374)。研究人員在納米孿晶金剛石復合材料斷裂韌性的表征過程中,首次觀察到了試樣中裂紋的自愈合現象。


            燕山大學團隊與北京航空航天大學團隊對納米孿晶金剛石復合材料裂紋的自愈合行為開展了深入研究,采用原位掃描電鏡和透射電鏡力學測試方法,從介觀到微觀再到原子尺度,系統地表征了納米孿晶金剛石復合材料自愈合行為,并進行了單晶金剛石對照實驗。研究結果顯示,在無外部壓力的情況下,室溫下完全斷裂的納米孿晶金剛石復合材料表現出卓越的裂紋自修復能力,其自愈合效率約為34%,明顯高于單晶金剛石的6.7%(圖1)。原子分辨的原位觀察揭示,納米孿晶復合材料在斷口表面形成了sp2和sp3混合雜化的非晶碳組織(圖2),這些碳原子在接觸后重新鍵合,從而實現了材料的自修復(圖3)。


            這項工作為設計和開發高耐久性和抗斷裂的脆性陶瓷材料開辟了新途徑,同時也為強共價鍵自愈合材料的開發和使用提供了重要指導。燕山大學的聶安民和田永君、北京航空航天大學的岳永海和郭林為該文章的通訊作者。(本文來源:燕山大學)


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      圖1. 斷裂的ntDC/DSC的自修復行為的定量評估


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      圖2. 納米孿晶金剛石復合材料微觀結構及其斷裂表面sp2和sp3混合雜化的非晶碳組織(DO)TEM圖


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      圖3. 原子相互作用力由排斥轉變為吸引隨后C-C重新成鍵


      關鍵詞: 金剛石

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