金剛石作為自然界中硬度最高的材料，是材料硬度研究領(lǐng)域的標(biāo)桿，其維氏刻壓強(qiáng)度可達(dá)到100GPa。尋找硬度超過金剛石的材料長期成為這領(lǐng)域內(nèi)科研工作者的一個挑戰(zhàn)目標(biāo)，同時這類硬度極高的材料能被用作極端情況下的切削工具、鉆頭、產(chǎn)生極端高壓的對頂砧等等，對于軍事、科研、工業(yè)、民用都有很重要的意義。
最近國內(nèi)有研究小組通過在金剛石中引入納米級別孿晶面，成功合成出了硬度超過晶體金剛石一倍的納米孿晶面金剛石（nt-Dia）結(jié)構(gòu)。該結(jié)果在引發(fā)人們熱議的同時，也提出了很多挑戰(zhàn)。nt-Dia中孿晶面平均厚度為5nm，這一顆粒尺寸使得材料處于反常Hall-Petch區(qū)域，作為納米材料中被廣泛驗證的Hall-Petch效應(yīng)認(rèn)為，納米材料尺寸存在一個閾值，閾值納米尺寸對應(yīng)的材料硬度最大，而處于反常Hall-Petch區(qū)域的材料硬度將會隨納米尺度減小而下降。很多人嘗試對nt-Dia反常的硬度提升結(jié)果進(jìn)行解釋，包括使用分子動力學(xué)，傳統(tǒng)剪切模型，計算彈性模量等等，但是都沒有得到很好的效果。
上海交通大學(xué)孫弘教授小組通過分析實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗過程中使用硬度較小的金剛石壓頭去刻壓硬度較大的nt-Dia，但是最終壓頭并沒有損壞。基于這一觀察，研究小組提出了最大正壓力刻壓模型，并使用該模型對nt-Dia進(jìn)行了形變模擬，成功解釋了處于反常Hall-Petch區(qū)域的nt-Dia材料硬度達(dá)到200GPa這一實(shí)驗事實(shí)。計算發(fā)現(xiàn)孿晶面相對于一般晶界有著更低的界面能，在切向形變以及壓頭正壓力的共同作用下，將會發(fā)生規(guī)律性移動，使得材料在形變過程中，通過相變以及“旋轉(zhuǎn)”的方式，從硬度較低的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到硬度很高的結(jié)構(gòu)，提升材料的硬度。
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