纳米孪晶金刚石的塑性变形及其在显微组织超细化中的作用

Nanotwinned diamond (nt-diamond) synthesized at high pressure and high temperature (HPHT) demonstrates unprecedented hardness and stability. Its hardness and thermal stability increase with decreasing twin thickness at nanoscale. The nanotwins in nt-diamond mainly form in martensitic transformation process from onion-like carbon precursor at HTHP, but the average twin thickness shows a minimum in synthetic pressure range (18~25GPa), which can not be understood simply by martensitic transformation mechanism. Recent studies indicate that the preformed phase transformation twins can be further refined by subsequent plastic deformation at HTHP. A pressure-depended mechanism conversion of deformation from glide-set dislocation sliding to shuffle-set one inside of the preformed phase transformation twins should account for the presences of twin thickness minimum. Thus, for nt-diamond, plastic deformation occurs at HTHP can further refine the twins, eventually results ultrafine microstructure. On the other hand, the nanotwins can suppress the plastic deformation of nt-diamond at room temperature, lead to the significant improvement in hardness. In this Project, we will perform the experimental and theoretical studies focused on the plastic deformation in nt-diamond at HTHP and room temperature, respectively, to reveal the interaction mechanism between the plastic deformation and nanotwinning structures at different conditions. Through the studies in the Project, the twin formation and further refining mechanism by plastic deformation in nt-diamond at HTHP would be well understood. And the hardening mechanism of nanotwinning in nt-diamond should also be revealed. The results can provide guidance on optimizing the synthetic conditions of nt-diamond for higher hardness and stability, and may also be applicable to other nanotwinned superhard materials.

在高温高压下合成的纳米孪晶金刚石具有前所未有的硬度和热稳定性。随孪晶宽度的减小，其硬度与热稳定性持续提高。孪晶主要源于合成过程中的马氏体相变，但其宽度在合成压力范围内存在一个相变机制无法解释的极小值。最近研究表明，高温高压条件下金刚石的塑性变形能进一步细化相变孪晶，而一个压力主导的变形机制转变则可能是导致孪晶宽度出现极小值的原因。换言之，纳米孪晶金刚石合成过程中的塑性变形能够细化其孪晶结构，而在实际服役过程中，孪晶又能抑制塑性变形，提高其硬度。因此，本项目拟对纳米孪晶金刚石的塑性变形进行实验和理论研究，阐明不同条件下的塑性变形机制及其与纳米孪晶结构的相互作用。通过本项目的研究，一方面能深入理解纳米孪晶金刚石中孪晶的形成和细化机制，优化合成工艺参数与条件，以期进一步提高提高其硬度与热稳定性，而另一方面也有助于理解孪晶的硬化机制和物理本质，为合成其他的纳米孪晶超硬材料提供一定的实验和理论基础。

在高温高压合成的纳米孪晶金刚石（n-diamond）块材具有高硬度、高韧性和高热稳定性，使其在机械加工、高压科学等工业和科研领域具有重要的应用价值。研究表明其高硬度源于超细孪晶结构引起的Hall-Petch效应和量子限于效应的协同作用。因此，深入理解合成过程中孪晶结构的形成和细化机制，将有助于实现对显微组织结构的调控，并进一步提高其综合力学性能。而对常温服役条件下孪晶结构对塑性形变的影响，也有助于深入理解孪晶结构的硬化机制，为制备其他孪晶超硬材料奠定理论基础。本项目基于高温高压合成过程中塑性形变在显微组织结构形成和细化中的作用及服役中孪晶结构对塑性形变的影响展开研究，取得了如下成果：（1）明确了合成压力对金刚石位错机制的影响，确认了在高温高压合成过程中依赖于压力的位错机制转变。据此提出了通过塑性形变进一步细化孪晶结构的策略及最佳的合成压力条件；明确了前驱体粒径对最终产物中显微组织结构的影响，设计并合成了具有纳米孪晶结构的cBN和金刚石分散纳米粉体；（2）确认了六方金刚石等多型体的存在，获得了2H、4H、9R和15R四种金刚石多型体存在的确定性证据，解决了长久以来关于金刚石是否能够存在的学术争议。基于这一发现提出金刚石材料的相变增韧策略，并据此设计、制备出了具有层级结构的纳米孪晶金刚石复合材料，在保持高硬度的同时，将金刚石材料的断裂韧性提高到了铝合金的水平；（3）发现了金刚石在室温条件下非密排面上的奇异位错行为，明确了其激活机制及位错运动模式；（4）阐明了纳米孪晶金刚石材料在机械研磨抛光过程中表面损伤及材料去除机理，确认了塑变-非晶化过程主导纳米孪晶金刚石的研磨抛光过程；在实验上观察到了孪晶结构对位错的阻碍作用，证实了理论研究中提出的孪晶硬化机制。研究结果不仅金刚石材料显微组织结构调控，实现其同步硬化和韧化方面具有理论指导意义，也将改变人们对于金刚石材料中位错及多型体的认识。