在金刚石中引入纳米结构对于合成具有优越性能的超硬材料非常有吸引力。然而，随着晶粒尺寸减小到纳米尺度，晶界效应在纳米多晶金刚石（NPD）中变得重要而复杂，这使得定制纳米结构具有挑战性。原子模拟结果表明，在NPD塑性变形后，NPD中裂纹的起始和扩展与AGB厚度有关，薄AGB可以减少裂纹成核和阻断裂纹扩展，很好地解释了实验观察结果。本研究表明，晶界调制为合理设计具有理想高强度的高性能超硬材料提供了一种很有前途的方法。
在此，吉林大学物理学院姚明光教授团队研究了通过晶界变薄超强纳米多晶金刚石。本文将原子模拟与实验相结合，验证了引入薄非晶晶界（AGB）对烧结NPD的强化策略。在烧结过程中，将少量富勒烯加入到前驱体中，可以显著减少金刚石纳米晶中破碎的非晶态纳米畴，从而形成薄薄的AGB。这种烧结的NPD具有显著的硬度和断裂韧性增强，超过了单晶金刚石。
图1
NPD的XRD特性。a)用HPHT烧结的三个样品的XRD模式。SAND-1样品（底部）的额外峰（用星号标记）来自表面的氧化铝。b)三个样品的XRD峰的FWHM。这表明在这个获得的NPD样品中，要么有更好的结晶度，更大的包含晶粒尺寸，或更小的应力较小的金刚石颗粒。从样品中记录的拉曼光谱如图S1（支持信息）所示。514 nm激光记录的所有光谱都表现出纳米金刚石的典型拉曼特征，在金刚石T2g模式的1332cm−1处有一个峰，在1500cm−1处有另一个弱而宽的峰。石墨碳没有可见的拉曼信号，表明大应力没有明显的石墨化。
图2.
NPD样品的微观结构。三种NPD样品的不同放大倍数（分别为0%、5%和10%的碳60添加剂）的HRTEM图像，显示了NPD中不同的非晶态组成。橙色、红色和黄色的箭头分别表示被压碎的晶界，即较薄的边界和相对较宽的边界。绿色的虚线是眼睛的向导。NPD样品表现出多晶纳米结构的特征。正如人们所观察到的从图像来看，纳米晶体大多保留了SAND-2 NPD样品的清晰轮廓，对比度显示可见GBs，而SAND-1 NPD样品的一些区域显示非晶特性，可能是由于HPHT烧结过程中周围金刚石纳米晶体的挤压；SAND-3 NPD样品显示了一些直径要小得多的金刚石纳米晶体（几纳米到10纳米）的金刚石纳米晶体。
图3.
样品的硬度。三个样品的HV作为施加负荷的函数(F)。插入是29.4N-2样品压痕的光学图像。还绘制了SCD的硬度以进行比较。
图4：
SAND-2 NPD样品的原位压痕实验。裂纹主要沿晶界传播。图4显示了我们的薄NPD箔在加载后不同时间的压痕下的记录图像。断裂裂纹主要沿晶界传播，表明晶界仍然是允许裂纹扩展的弱区域。请注意，在压痕过程中没有观察到位错的产生或位错的运动，这与我们的模拟结果一致。需要注意的是，晶界在NPD中是随机分布的，在压痕时，弱边界区域通常成为应力集中区，因此裂纹尖端沿这些区域移动。
图5.
拉伸后NPD的变形和失效。a)在剪切速率为0.1ps−1的有限剪切变形下，2和5 nm GB模型的剪应力−剪切应变关系。b)两种GB模型的抗切强度。c，f)两种GB模型的初始塑性变形快照。d，g)塑性变形结束的快照，达到最大剪切强度。空化形成的快照。原子的颜色是由原子剪切应变编码的。
图6.
GB厚度对NPD拉伸变形的影响。a)在剪切速率为0.1ps−1的有限剪切变形条件下，初始结构（黑色）、厚GBs结构（红色）和预熔化颗粒结构（蓝色）的剪切应力-剪切应变关系。b-d)厚GB模型的塑性变形和空化形成的开始和结束的快照。例如)熔融晶粒模型的塑性变形开始、第二次弹性变形开始和空化形成的快照。
总的来说，本文开发了一种通过晶界细化来增强合成的NPD的新策略，合成的NPD的硬度和断裂韧性都显著提高，在很大程度上超过了单晶金刚石。进一步的理论模拟为NPD的变形和失效机理提供了新的见解。晶界的性质强烈影响GBs的滑动、压痕作用下的裂纹和空蚀成核，从而影响NPD的力学性质，这很好地解释了实验观察结果。研究结果表明，除了晶粒尺寸外，是一种有前途的方法，用于合理设计具有理想高强度的高性能超硬材料，同时也希望这一策略可以扩展到其他超硬材料，使其适用于各种应用的先进材料设计。
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