金刚石凭借其无与伦比的硬度、优异的热导率、宽带隙和光学透明性，在精密加工、电子器件及光学领域备受瞩目。然而，其固有的脆性和有限的韧性长期制约了其在抗冲击、抗裂性需求场景中的应用拓展。近日，燕山大学亚稳材料全国重点实验室田永君院士团队在顶级期刊《Nature Materials》发表题为《Microstructure engineering in diamond-based material》的综述论文，系统总结了通过微结构工程设计提升金刚石及其衍生材料性能的最新突破，为下一代超硬材料技术发展指明方向。
微结构工程破解性能瓶颈
论文指出，基于高压高温（HPHT）技术及碳前驱体材料的创新选择，研究团队成功实现了金刚石微结构的精准调控，开发出纳米孪晶金刚石、层级结构金刚石复合材料、石墨-金刚石杂化材料Gradia及非晶金刚石等系列创新材料（图1）。这些突破性成果不仅显著提升了金刚石的硬度和韧性，还赋予其多功能特性：
硬度突破极限：通过晶粒和孪晶结构调控，利用Hall-Petch效应与量子限域效应，纳米孪晶金刚石的维氏硬度达175-203 GPa，远超传统单晶金刚石；
韧性协同提升：特殊界面结构和复合相设计破解了硬度与韧性难以兼得的难题，材料抗冲击性与耐磨性实现跨越式突破；
多功能拓展：低密度碳同素异形体（石墨、富勒烯等）在HPHT下转化为新型金刚石基材料，为电学、光学性能调控提供新路径。
图1：不同低密度碳前驱物经HPHT合成的多样化金刚石基材料微结构示意图。
新兴现象与技术前瞻
研究还揭示了金刚石基材料中非共格孪晶界演变、室温自愈合等新现象，并展望了未来研究方向：
大尺寸制备：开发直径超3毫米的高质量纳米孪晶金刚石，满足金刚石压砧装置需求；
理论极限探索：将孪晶厚度缩减至约0.618纳米以逼近硬度极限；
自愈合技术应用：探索该现象在陶瓷键合等领域的产业化潜力。
引领超硬材料技术革命
该综述由燕山大学独立完成，通讯作者为聂安民、赵智胜、徐波和田永君院士。研究获国家自然科学基金（52288102、52090022）及河北省自然科学基金（E2024203054、E2022203109）支持。团队通过HPHT技术与纳米结构工程的深度融合，不仅为金刚石材料的高效应用提供新范式，更为电子、光学、极端环境装备等领域的革命性技术突破奠定科学基础。
