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摘  要

       以往研究发现，纳米多晶金刚石的硬度可超越单晶金刚石，因此利用石墨制备纳米多晶金刚石获得了广泛研究。然而，由石墨碳源制备的金刚石同时具有均匀精细结构和层状结构，其形成机理尚未获得很好的理解。为此，针对不同层间距的石墨，进行了一系列分子动力学模拟。研究发现，不同受压情况下石墨存在不同的相变行为，即在马氏体转变下获得片层状金刚石，而在扩散型相变下获得无特定取向的精细纳米金刚石。在静水压条件下，或者[002]方向上的压力大于横向压力且石墨层滑移不受限时，石墨将转化为层状结构立方金刚石；当[002]方向上的压力大于横向压力，但石墨层横向滑移受阻时，石墨转化为多晶六方和立方金刚石混合物；当最大压力方向在[210]或[010]方向时，石墨转化为无特定取向的均匀多晶金刚石。通过原子运动的微观尺度分析，揭示了由石墨制备的纳米多晶金刚石同时具有均匀精细结构和层状结构的机理，有望为大规模合成超硬纳米多晶金刚石提供理论支持。　

       关键词：纳米多晶，金刚石，石墨，相变，分子动力学，高温高压

        图  3  3类受压情况下的典型应力-应变曲线：(a) d=0.315 nm（类型Ⅰ，[210]为最大压力方向）；(b) d=0.260 nm，相变分两阶段进行（第1阶段中，[002]为最大压力方向，属于类型Ⅱ；第2阶段中，[210]为最大压力方向，属于类型Ⅰ）；(c) d=0.228 nm（第1次相变为石墨-金刚石相变，属于类型Ⅲ，[002]方向为最大压力方向；第2次相变为HD-CD相变）

       图  4  具有不同层间距的石墨在沿x轴（[210]方向）压缩下的部分模拟结果（橙色原子属于HD相，蓝色原子属于CD相，灰色原子属于石墨或非晶相。层间距较大时，获得晶粒较大的CD多晶，且层间距越大，晶粒越小；层间距较小时，获得晶粒较小的金刚石多晶（HD和CD相混合），且层间距越小，晶粒越小 ）

       图  5  3类受压条件及静水压下石墨的结构演化：(a) d=0.315 nm（类型Ⅰ），石墨层在压力作用下发生屈曲，随后多个位点相变为CD；(b) d=0.260 nm，第1阶段（类型Ⅱ）石墨发生马氏体相变，生成层状结构CD，第2阶段剩余石墨层倾斜并进一步相变为CD（类型Ⅰ）；(c) d=0.228 nm（类型Ⅲ），多个位点同时产生取向不一的HD核；(d) 静水压模拟结果

       同行评价

       本论文采用LAMMPS模拟软件，基于分子动力学法，模拟了不同层间距的六方石墨在不同受压情况下的相变行为。在原子运动尺度揭示了多晶石墨制备纳米多晶金刚石的微观机理，对大规模合成纳米聚晶金刚石提供了理论指导。文章整体逻辑清晰，工作量较为充足，具有较好的创新性，对金刚石合成有借鉴意义。