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中國極硬材料合成再獲突破。據(jù)6月12日出版的《自然》（Nature）雜志介紹，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合成出硬度兩倍于天然金剛石的人造金剛石塊材。金剛石是碳原子按正四面體結(jié)構(gòu)排列而成的晶體，是自然界中已知的硬度最大的物質(zhì)。金剛石在現(xiàn)代工業(yè)中用途廣泛，是機(jī)械與電子業(yè)切割打磨、礦山和地質(zhì)鉆探、以及建筑建材工業(yè)必不可少的工具和材料。由于天然金剛石罕見而價(jià)值不菲（高純度的金剛石就是鉆石），人造金剛石行業(yè)就成為制造業(yè)的最基本部門之一。作為“世界工廠”的中國，在人造金剛石領(lǐng)域已經(jīng)走在世界前列，2010年人造金剛石產(chǎn)量已占據(jù)世界總產(chǎn)量的70%以上。

燕山大學(xué)田永君教授等人研制成功新型人造金剛石，硬度是天然金剛石的2倍

納米技術(shù)突破自然界極限

中國材料科學(xué)家燕山大學(xué)田永君教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與吉林大學(xué)馬琰銘教授和美國芝加哥大學(xué)王雁賓教授合作，繼2013年合成出極硬納米孿晶立方氮化硼之后再次取得突破，在高溫高壓下成功地合成出硬度兩倍于天然金剛石的納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石塊材。研究成果發(fā)表在2014年6月12日的Nature雜志上。

天然金剛石在2700多年前被發(fā)現(xiàn)以來，一直被公認(rèn)為自然界中的最硬材料。在不同的晶體學(xué)取向上，天然金剛石的壓痕硬度為60-120GPa。

1955年美國通用電氣公司利用高溫高壓技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室成功地合成出人造金剛石單晶，掀開了金剛石工業(yè)應(yīng)用的新篇章，成為超硬材料研究的里程碑，從此合成出比天然金剛石更硬的新材料就變成了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的共同夢想。

但是經(jīng)過多年努力之后，科學(xué)家們開始對實(shí)現(xiàn)這一夢想感到失望。金剛石成功合成50周年之際，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的兩位學(xué)者就曾撰寫一篇題為“比金剛石更硬：只是幻想”的文章（Nature Materials 4（2005），4）。他們在文中明確指出：“事實(shí)上，到目前為止既沒有發(fā)現(xiàn)天然材料也沒有發(fā)現(xiàn)合成材料比天然金剛石更硬，而且能夠合成出比天然金剛石更硬的材料幾乎是不太可能的”。

金剛石結(jié)構(gòu)模型

田永君教授研究團(tuán)隊(duì)的前期理論研究表明：在納米尺度，多晶極性共價(jià)材料的硬化除了Hall-Petch效應(yīng)的貢獻(xiàn)還有量子限域效應(yīng)的附加貢獻(xiàn)，能夠?qū)е虏牧想S顯微組織特征尺寸減小而持續(xù)硬化卻不軟化。去年，他們首先利用洋蔥結(jié)構(gòu)氮化硼前驅(qū)物在高壓下成功地合成出納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼（Nature 493(2013), 385），將顯微組織的特征尺寸（平均孿晶厚度）減小到3.8nm，維氏硬度值可達(dá)108GPa，超過了人造金剛石單晶。納米孿晶立方氮化硼的成功合成開辟了一個(gè)同時(shí)提高材料硬度、韌性和熱穩(wěn)定性的新途徑。

到目前為止，通過石墨、非晶碳、玻璃碳和C60等碳前驅(qū)體的高壓相變還不能獲得納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石。為此，田永君教授研究團(tuán)隊(duì)及其合作者開始研究洋蔥碳在高溫高壓下的相變過程。在較低溫度下洋蔥碳在形成納米孿晶結(jié)構(gòu)立方金剛石的同時(shí)還共生出一種單斜結(jié)構(gòu)的金剛石，在文章中他們將其命名為“M-diamond”；在較高溫度下，碳洋蔥轉(zhuǎn)變成了單相的納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石，孿晶的平均厚度小到5nm。這種納米孿晶金剛石具有從未有過的硬度和穩(wěn)定性：維氏硬度約為天然金剛石的兩倍，可達(dá)200GPa；空氣中的起始氧化溫度比天然金剛石高出200攝氏度以上。

澳大利亞James Boland在Nature雜志同期的新聞與觀點(diǎn)（NEWS & VIEWS）欄目撰寫了題為“金剛石變得更硬”的文章，亮點(diǎn)報(bào)道了這項(xiàng)工作。另外，Los Angeles Times、Chemistry World、PhysOrg等國外多家科學(xué)媒體也進(jìn)行了亮點(diǎn)報(bào)道。

研究工作持續(xù)得到了國家自然科學(xué)基金委員會多個(gè)項(xiàng)目（批準(zhǔn)號50530099，50821001，513300012）和973計(jì)劃項(xiàng)目的支持。

左圖為納米孿晶金剛石顯微組織的典型透射電鏡照片，右圖為透明納米孿晶金剛石樣品的光學(xué)照片（合成壓力20GPa，合成溫度2000 °C）。

中國人造金剛石產(chǎn)量占世界70%

由于金剛石對于工業(yè)的重要性，新中國在工業(yè)化之初就非常重視人造金剛石的研制。在上世紀(jì)50年代，由于我國天然金剛石已探明礦源稀少，開采更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需求，當(dāng)時(shí)年產(chǎn)量只有幾千克拉，所以一直是靠進(jìn)口過日子，每年要耗去數(shù)千萬美元的外匯。

隨著中蘇關(guān)系的惡化，前蘇聯(lián)在1960年對中國停止了金剛石筆供應(yīng)，同年10月，第一機(jī)械工業(yè)部下達(dá)了一項(xiàng)國家重點(diǎn)科研項(xiàng)目，為了保密，課題的名稱采用了代號《121》，它就是后來人所共知的公開秘密——人造金剛石的研制項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)，人造金剛石技術(shù)還只有美國等幾個(gè)少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家掌握。

1963年，中國科學(xué)家成功合成了我國第一顆人造金剛石，前后用了兩年多時(shí)間，圓了國內(nèi)外多少人的百年夢想，走完了工業(yè)發(fā)達(dá)國家用了10多年才走完的路程。

人造金剛石工業(yè)得到了中央的高度重視，陜西工人李相臣曾因?qū)θ嗽旖饎偸呢暙I(xiàn)被評為全國勞動模范，曾先后5次受到毛主席、8次受到周總理的親切接見。

近年來，中國已經(jīng)成為了世界工廠，國內(nèi)人造金剛石產(chǎn)量也迅速增長，由2001年的16億克拉增加至2010年的90億克拉，年均復(fù)合增長率16.4%，中國人造金剛石產(chǎn)量占據(jù)世界總產(chǎn)量的70%以上。

如今，河南省方城縣廣陽鎮(zhèn)西北一個(gè)偏僻山坳，已經(jīng)成為世界最大的人造金剛石產(chǎn)地，產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的26%，出口歐美、印度、日本、韓國等40多個(gè)國家和地區(qū)。