碳纳米管网络破解金刚石“硬而脆”难题—— 三维连续 MWCNT 网络与原子级 sp²-sp³ 界面协同实现外部增韧

在保持金刚石超高硬度的同时，将断裂韧性提升至单晶金刚石的 5~6 倍。

导读

金刚石具有极高的硬度，是切削加工、钻探等领域重要的超硬材料，但其较低的断裂韧性使其容易发生脆性断裂。长期以来，研究者主要通过调控金刚石内部微结构提高韧性，但硬度与韧性之间的矛盾仍然存在。针对这一问题，中国科学院物理研究所、北京航空航天大学、宁波东方理工大学等单位组成的研究团队提出外部增韧策略，将多壁碳纳米管（MWCNTs）引入金刚石晶粒之间，在 15 GPa、2000℃条件下构建三维连续 MWCNT网络与三维金刚石框架相互贯穿的异质结构，并形成复杂而丰富的 sp2-sp3 混合杂化键合界面。所得复合材料硬度达到 91.6±3.1 GPa（29.4 N 载荷下测试），单边缺口梁（SENB）测试得到平均断裂韧性 31.9±4.6 MPa·m1/2，最高达到 36.4 MPa·m1/2，约为单晶金刚石的 5~6 倍，也高于论文所比较的 97W-2Ni-1Fe 钨合金（25.6 MPa·m1/2）。该研究为在保持超硬特性的同时改善金刚石断裂韧性提供了新的材料设计路径。该 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《Nature Synthesis》在线发表。

Part 1

科学背景：

超硬材料的“硬度—韧性”难题

金刚石以极高的硬度著称，是制造切削刀具、钻探工具等的重要工程材料，但与高硬度相伴的是较低的断裂韧性。对于需要承受冲击、振动以及复杂载荷的工程材料而言，仅仅“硬”并不意味着能够长期稳定工作。一旦裂纹形成并快速扩展，材料可能会发生脆性断裂。

如何在保持金刚石高硬度的同时提高其断裂韧性，成为超硬材料研究中的重要问题。

过去的研究主要采用“内部增韧”思路，即通过调节金刚石内部的微观结构来改善断裂行为，包括调控堆垛序列、引入堆垛层错、构建纳米孪晶以及引入非晶相等。这些方法能够在一定程度上提高材料韧性，但硬度和韧性之间的矛盾仍然存在。论文将这类方法归为“内部增韧”。

与之不同，“外部增韧”试图在金刚石基体中引入具有高强度和高弹性的第二相，使第二相参与裂纹调控和能量耗散。碳纳米管具有优异的力学性能，被认为是潜在的增韧材料。

但将碳纳米管真正用于金刚石增韧，并不是简单地把两种材料混合在一起。论文指出，这一策略面临两个关键问题：一方面，如果碳纳米管与金刚石之间缺少有效的化学键合，界面载荷传递就会受到限制；另一方面，如果引入碳纳米管致使金刚石不能形成稳固的三维承力框架，材料硬度又可能下降。

因此，如何同时建立有效的界面结合和连续的三维结构，是外部增韧能否真正发挥作用的关键。

Part 2

技术突破：

三维连续网络与原子级界面协同增韧

针对上述问题，研究团队将 MWCNTs 引入金刚石晶粒之间，在高温高压条件下构建三维连续碳纳米管网络，同时形成三维金刚石框架，并在两者界面形成 sp2-sp3混合杂化键合。

最终形成的并不是简单的“金刚石 + 碳纳米管”混合材料，而是一种由两种连续结构共同构成的异质复合体系。

不均匀应力场构建三维连续网络

研究团队将 MWCNTs 与金刚石微粉混合，使碳纳米管分布在金刚石颗粒之间，随后进行预压成型。关键步骤发生在烧结阶段：样品在 15 GPa、2000℃条件下进行高温高压处理。

在高压条件下，金刚石微粉内部存在不均匀的应力分布。金刚石晶粒接触区域承受较高的局部应力，促使晶粒之间形成稳固的 D-D 键，建立三维金刚石承力框架；晶粒之间的间隙区域压力相对较低，使其中的 MWCNTs得以保留 sp2 结构并形成连续网络。

由此，材料内部形成了三维连续 MWCNT 网络与三维金刚石框架相互贯穿的异质结构。与简单将第二相分散在基体中的设计相比，这种连续网络能够使碳纳米管在更大范围内参与裂纹扩展过程。

原子尺度的 sp2-sp3 混合杂化界面

建立连续网络只是第一步，如何让碳纳米管与金刚石之间有效传递载荷同样关键。

研究团队发现，在高温高压条件下，MWCNTs 与金刚石之间形成了复杂而丰富的 sp2-sp3 混合杂化键合界面。论文摘要明确指出，这种混合杂化键合界面是材料实现增韧的重要结构基础，并能促进有效的能量耗散。

与此同时，研究团队建立了具有稳固 D-D 键的三维金刚石框架，从而避免由于引入 MWCNTs 而导致硬度损失。换言之，材料内部形成了两套相互配合的结构：金刚石框架维持高硬度，MWCNT 网络及其界面则参与裂纹调控和能量耗散。

2000℃：硬度与韧性的平衡点

研究团队进一步考察了不同烧结温度对材料性能的影响。

结果显示，2000℃是性能优化的重要温度节点。温度较低时，界面结合不充分，材料的硬度和断裂韧性均受限；当温度继续升高，更多 MWCNTs 向金刚石结构转化，原有连续网络受到破坏，断裂韧性随之下降。

因此，材料性能并非简单地随着烧结温度升高同步提高，而是取决于金刚石框架和 MWCNT 网络之间的结构平衡。2000℃条件下，材料获得了较优的硬度和韧性组合。

硬度与断裂韧性实现协同提升

在 15 GPa、2000℃条件下制备的 3D-MWCNTdiamond 复 合 材 料， 维 氏 硬 度 达 到 91.6±3.1GPa；SENB 测试得到平均断裂韧性 31.9±4.6MPa·mm1/2，最高达到 36.4 MPa·mm1/2。

按照论文给出的比较结果，其断裂韧性约为单晶金刚石的 5~6 倍，并超过论文所比较的 97W-2Ni-1Fe 钨合金（25.6 MPa·mm1/2）。

这一结果的关键并不只是某一个性能指标的提高，更是材料在保持较高硬度的同时获得了显著提升的断裂韧性。对于长期受到“硬度—韧性”权衡制约的超硬材料而言，这意味着提供了一种新的解决思路。

多尺度增韧机制

为了理解材料为什么能够获得这样的力学性能，研究团队进一步利用原位 TEM 拉伸实验和密度泛函理论（DFT）模拟，对裂纹扩展和界面结构进行了分析。论文分别通过实验观察和理论计算，从不同尺度揭示了材料的增韧行为。

首先，裂纹发生偏转并形成更加曲折的扩展路径。在纯金刚石区域，裂纹可以沿特定晶面快速扩展；进入含有MWCNT 网络的区域后，裂纹扩展方向发生改变，路径更加曲折。裂纹路径的改变意味着其扩展过程需要消耗更多能量。

其次，碳纳米管能够参与裂纹桥接和拔出过程。原位TEM 观察显示，在断裂区域可以看到 MWCNTs 拔出以及桥接裂纹两侧结构的现象。这些过程使碳纳米管在裂纹扩展过程中参与承载和能量耗散。

再次，界面附近还存在原子尺度的结构演化。DFT模拟显示，在剪切应变作用下，界面附近的 sp2 碳结构能够发生局域的 sp2 → sp3 转变，并形成碳多晶型结构。这种结构演化进一步参与了变形过程中的能量耗散。

因此，这种材料的增韧并不是依靠单一机制，而是来自连续 MWCNT 网络、混合杂化界面以及裂纹偏转、桥接等多种结构和过程的共同作用。

Part 3

产业关联与应用展望

对于超硬材料而言，提高断裂韧性具有直接的工程意义。论文将这一结构设计定位为下一代超硬工具和抗冲击复合材料的新技术路径。

首先，在切削加工工具领域，金刚石材料具有高硬度和耐磨优势，但脆性断裂可能限制其在复杂载荷条件下的使用。新型复合材料在保持较高硬度的同时提高断裂韧性，因此有望为高性能切削工具的材料设计提供新的选择，尤其适用于对耐磨和抗裂性能都有较高要求的加工场景。

其次，在钻探工具领域，超硬材料需要长期承受磨损和复杂载荷。提高断裂韧性可能有助于降低材料在冲击条件下发生裂纹快速扩展的风险。因此，这类复合材料有望为高性能钻探工具的设计提供新的材料思路。

更值得关注的是，这项研究所提供的并不仅是一种具体的金刚石复合材料，更是一种结构设计方法：通过建立连续的第二相网络和稳定的异质界面，使主体材料保持原有的高硬度，同时增加裂纹扩展过程中的能量耗散。这种思路未来可能为其他超硬材料以及部分陶瓷基复合材料的增韧设计提供参考。

当然，从实验室样品走向工程应用仍需要进一步研究。目前仍需解决材料尺寸放大、制备效率、成本以及长期服役性能等问题。因此，这一成果距离大规模工程应用仍有差距，但其结构设计思路已经为后续研究提供了明确方向。

Part 4

总结与展望

金刚石的优势在于极高的硬度，而制约其应用进一步拓展所面临的重要问题之一，是较低的断裂韧性。

此次研究没有通过牺牲金刚石硬度来换取韧性，而是采用外部增韧策略，在金刚石晶粒之间构建三维连续MWCNT 网络，同时形成具有稳固 D-D 键的三维金刚石框架，并在两者之间形成 sp2-sp3 混合杂化键合界面。

最终，复合材料实现了 91.6±3.1 GPa 的维氏硬度，以及 31.9±4.6 MPa·m1/2 的平均断裂韧性，最高达到36.4 MPa·m1/2，约为单晶金刚石的 5~6 倍。

这项研究的价值在于，它为超硬材料长期存在的“硬度—韧性”矛盾提供了一条不同于传统内部微结构调控的新路径：利用连续的外部增韧网络和原子尺度异质界面调控裂纹扩展与能量耗散，同时保持主体材料的高硬度。

未来，该异质结构的界面形成机制、极端条件下的结构稳定性、制备工艺优化以及工程化性能评价均有待进一步研究。随着相关技术不断发展，这种外部增韧思路有望为高性能超硬工具和抗冲击复合材料的发展提供更多可能。

科研团队信息

该研究由中科院物理所怀柔研究部 HX06 组于晓辉研究员团队与多家科研单位合作完成。中国科学院物理研究所博士后张佳威（现宁波东方理工大学研究助理教授）、中国科学院物理研究所沈希副研究员、北京航空航天大学博士后仇克亮、北京航空航天大学博士生徐腾飞（现中国计量大学讲师）为共同第一作者；北京航空航天大学陈科教授、中国科学院物理研究所洪芳副研究员、北京航空航天大学张瑞丰教授、中国科学院物理研究所于晓辉研究员为共同通讯作者。

研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等支持。该研究使用了国家重大科技基础设施综合极端条件实验装置（SECUF）A9、B1 和B3 实验站。

作为中国科学院物理研究所牵头建设的重大科研基础设施，SECUF 面向极端条件下物质科学研究提供实验支撑。本研究所需要的 15 GPa 超高压、2000 ℃高温条件，正是这类极端条件实验平台能够提供的重要实验能力。怀柔科学城作为综合性国家科学中心的重要承载地，汇聚了包括综合极端条件实验装置在内的一批重大科技基础设施，为开展极端条件下的前沿材料研究提供了重要科研平台。

来源：怀柔科学城城市客厅新媒体中心 李垚萱

编辑：柯欣

审核：王汝霖

欢迎投稿

关注我们了解更多资讯

《中国科技信息》杂志社

主管单位：中国科学技术协会

主办单位：中国科技新闻学会

在线投稿平台：www.cnkjxx.com

新媒体内容合作联系微信：cnkjxx1989

杂志收录情况：《中国知网》《中国期刊核心期刊（遴选）数据库》《中国学术期刊综合评价数据库（CAJCED）统计源期刊》《中国期刊全文数据库（CJFD）》《中国科协、中国图书馆学会（解读科学发展观推荐书目）》