通常情况下,高强度的材料在室温下往往会表现出脆性,而提高其延展性往往可以改善这些强/硬材料(尤其是金属件化合物)的加工性。改良的金属、合金和陶瓷材料已经实现了4-5倍于相应粗晶粒材料的强度。纳米结构材料的另一个难题是它们的热稳定性,它们会在较高的温度下降解。因此,当这些材料暴露在高温下时,纳米结构的益处便会随之消失。因此,世界各国的科学家们都在努力制备出一种同时具有高强度、良好延展性和高温稳定性的纳米结构材料。最近,Huang等人成功地制备出了首个具有极高硬度和较高热稳定性的纳米孪晶金刚石。
先前,科学家们运用电沉积改性的方法来提高材料的孪晶密度,从而制备出强于纳米铜的铜基合金。但是这一现象仅限于具有面心立方(FCC)结构的材料。因此,用碳纳米粒子制备纳米孪晶金刚石具有重大的意义。这一工作是在用洋葱状立方氮化硼前驱体成功合成纳米孪晶立方氮化硼的前期工作基础上进行的。高密度的褶皱层和堆垛层错有利于纳米孪晶金刚石的形核。所形成的5nm宽度的金刚石硬度可达200GPa,这几乎是其它方法所生产出来的纳米金刚石硬度的两倍。这种纳米孪晶金刚石可在高达980℃时仍保持热稳定,这比天然金刚石要高200℃。这些材料可用于钻探等工业应用中。
Huang等人是在12-25 GPA的高压和2200-2500℃的高温下,用洋葱状碳纳米粒子合成了极少量的纳米孪晶金刚石。然而,真正的工业应用需要材料具有较高的性能,且易于大量的可重复地制备。最重要的是,工厂还希望这些材料能够尽可能的便宜。但这些金刚石如果以目前的方式进行生产的话,它们的成本将会非常昂贵。我们必须开发出一些改进型的工艺,以经济可行的方式来生产纳米孪晶金刚石。
参考文献
Gleiter, H. (1989) Nanocrystalline materials. Prog. Mater. Sci., 33 (4) 223-315.
Suryanarayana, C. (1995) Nanocrystalline materials. Internat. Mater. Rev., 40 (2) 41-64.
Huang, Q., Yu, D.L., Xu, B., et al. (2014) Nanotwinned diamond with unprecedented hardness and stability. Nature, 510(7504), 250-253.
Lu, L., Shen, Y.F., Chen, X.H., and Lu, K. (2004) Ultrahigh strength and high electrical conductivity in copper. Science,304 (5669), 422-426.