北京
金刚石是自然界已知的最硬物质，广泛用于矿产开采、油气钻探及工程材料加工等领域，被誉为“工业的牙齿”。 然而，其断裂韧性低（仅3.4-5.0 MPa·m½），易发生脆性断裂，限制了其应用范围。传统内部微结构调控的增韧策略常以硬度下降为代价；引入碳纳米管或石墨烯等第二相的“外部增韧”策略则面临两个关键难题：一是碳纳米管与金刚石之间缺乏化学键合，界面仅物理接触，载荷传递效率低；二是超硬相金刚石常呈孤立岛状分布，缺乏结构连续性，宏观硬度下降。
近期，中国科学院物理研究所怀柔研究部HX06组于晓辉研究员团队与北京航空航天大学等单位合作，在金刚石复合材料“外部增韧”策略上取得突破。研究团队巧妙地利用金刚石微粉在高压下的不均匀应力分布，在15 GPa和2000 °C烧结条件下，在金刚石基体中构建了三维连续碳纳米管网络与金刚石框架相互贯穿的复合结构，并在界面处实现了原子尺度的sp²-sp³共价键合，从而有效解决了载荷传递效率低和结构连续性不足两个关键难题。力学性能测试表明，该复合材料硬度（~91 GPa）与单晶金刚石相当，断裂韧性（~32 MPa·m½）提升至其5-6倍。原位拉伸实验与理论模拟揭示其增韧机制：三维连续碳纳米管网络诱导裂纹偏转与曲折扩展，碳纳米管的拔出与桥接效应持续耗散能量；同时，原子尺度sp²→sp³相变通过键的断裂重组吸收应变能，协同抑制脆性断裂。该工作通过外部增韧策略，在保持金刚石高硬度的同时显著提升了其断裂韧性，为超硬材料的增韧设计提供了可行的技术路径。
图 多壁碳纳米管-金刚石复合材料的结构特征示意图
相关研究成果以“Multi-walled carbon nanotube network-toughened diamond composite via atomic interface continuity”为题，于2026年7月9日在线发表于 《Nature Synthesis》。中国科学院物理研究所博士后张佳威、沈希副研究员以及北京航空航天大学博士后仇克亮、博士生徐腾飞为共同第一作者；北京航空航天大学陈科、张瑞丰教授以及中国科学院物理研究所洪芳副研究员、于晓辉研究员为共同通讯作者。该研究受到国家自然科学基金、国家重点研发计划以及国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置”（SECUF）的大力支持。
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