超硬材料網

       金剛石是人類目前已知的最堅硬的材料，由于其具有超高的硬度、優越的不可壓縮性和耐磨性，因此在科學和工業領域有著廣泛的應用。但是，金剛石是一種脆性材料，其斷裂韌性較差，嚴重影響了由金剛石制成的各類工具的使用壽命。最近的一些實驗研究表明，在金剛石中引入納米孿晶和非3C相的多型體結構，有助于同時提高金剛石的硬度和韌性，從而解決金剛石材料無法兼具超硬超韌的科學難題。但是，納米孿晶和多型體結構如何有助于增韌，其背后的物理機制一直是未知的。

　　8月6日，清華大學航天航空學院李曉雁教授課題組在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上在線發表了題為“含不同多型體納米孿晶金剛石的增韌和裂紋愈合機制”(Toughening and crack healing mechanisms in nanotwinned diamond composites with various polytypes)的研究論文。通過大規模分子動力學方法，并結合斷裂力學理論，李曉雁團隊從原子尺度上揭示了含不同多型體納米孿晶金剛石的增韌和裂紋愈合機制，為設計和制備強韌協同的新型超硬材料提供了重要的理論基礎。

　　李曉雁團隊首先建立了含有多種多型體結構和納米孿晶的原子模型，然后采用大規模分子動力學方法模擬了裂紋在含不同多型體納米孿晶金剛石中的擴展，研究了裂紋與納米孿晶以及多型體之間的相互作用，并基于斷裂力學理論定量計算了含不同多型體納米孿晶金剛石的能量釋放率（表征材料的斷裂韌性），同時分析了納米孿晶和不同多型體對于增韌的貢獻。大規模分子動力學模擬結果揭示了三種典型的增韌機制：孿晶界和多型體的相界能夠有效地阻礙裂紋的擴展，導致裂尖前方非局域化的塑性變形；裂紋在孿晶區或多型體區域會發生偏折，形成之字形或蜿蜒的裂紋擴展路徑；裂尖的高應力水平導致裂尖區域發生相變，形成無序的原子鏈團簇。同時，分子動力學模擬結果展示了在卸載過程中，表面相對光滑的裂紋會發生逐漸愈合。這一裂紋愈合行為與卸載過程中裂紋表面的共價鍵重新形成有一定的關聯，并且愈合的程度依賴于裂紋表面的光滑程度。這一裂紋愈合行為表明，相比于傳統的金剛石，含不同多型體納米孿晶金剛石具有更長的使用壽命。

裂紋在含多型體納米孿晶金剛石中的擴展行為：A 含納米孿晶，B 含納米孿晶和多型體結構

　　近年來，李曉雁課題組主要從事新型微納米結構材料的構筑設計、先進制備和力學行為研究，在相關領域取得了多項重要的研究成果。該論文第一作者為清華大學航院博士生曾永攀，論文的通訊作者為李曉雁教授。該論文得到了國家自然科學基金的大力支持。