金剛石研究再突破！碳納米管加持，韌性提升5倍

金剛石一直被視為超硬材料的“天花板”。憑借極高的硬度和耐磨性，它被廣泛應用于礦產(chǎn)開采、油氣鉆探、精密加工等領域。不過，硬度高并不意味著不易斷裂。金剛石的斷裂韌性僅約3.4—5.0 MPa·m1?2，在受到?jīng)_擊或局部應力時容易發(fā)生脆性斷裂，這也限制了其進一步拓展應用。

如何讓金剛石既“硬”又“韌”，一直是超硬材料研究中的難題。過去的增韌方法主要通過調(diào)控金剛石內(nèi)部的晶體結構，例如引入層錯、納米孿晶或非晶相等，但往往伴隨著硬度下降。另一種思路是加入碳納米管、石墨烯等第二相進行“外部增韌”，卻容易出現(xiàn)界面結合弱、載荷傳遞效率低，以及金剛石結構被割裂等問題。

近期，中國科學院物理研究所懷柔研究部于曉輝研究員團隊聯(lián)合北京航空航天大學等單位，在這一方向取得突破。研究人員將高度分散的多壁碳納米管（MWCNTs）引入金剛石微粒之間，并利用高溫高壓條件下形成的不均勻應力環(huán)境，構建出貫穿金剛石基體的三維連續(xù)碳納米管網(wǎng)絡。

更關鍵的是，研究團隊并非簡單地將碳納米管“填”進金剛石中，而是在兩者界面構建了原子尺度的sp2-sp3混合雜化鍵合。與此同時，金剛石顆粒之間形成了牢固的金剛石—金剛石連接，最終形成“連續(xù)碳納米管網(wǎng)絡+三維金剛石骨架”的復合結構，在增強韌性的同時避免硬度明顯下降。

實驗結果顯示，在2000 ℃、15 GPa條件下制備的復合材料，維氏硬度達到91.6±3.1 GPa，與單晶金剛石處于相近水平；采用單邊缺口梁（SENB）方法測試，其平均斷裂韌性達到31.9 MPa·m1?2，最高達到36.4 MPa·m1?2，約為單晶金剛石的5—6倍。

這意味著，研究人員在一定程度上打破了超硬材料中“硬度與韌性難以兼得”的傳統(tǒng)矛盾。值得注意的是，部分英文報道使用了“Unbreakable Crystal”等較為夸張的表述，但該材料并非真正意義上的“不可打破”。此次成果的核心價值，是在實驗條件下顯著提升了金剛石抵抗裂紋擴展和斷裂的能力。

那么，碳納米管究竟是如何讓金剛石變“韌”的？原位透射電鏡拉伸實驗顯示，在純金剛石區(qū)域，裂紋往往沿特定晶面快速、直線式擴展；進入碳納米管網(wǎng)絡后，裂紋會不斷發(fā)生偏轉，形成更加曲折的擴展路徑，從而消耗更多斷裂能量。

與此同時，碳納米管還能夠通過橋接和拔出等方式持續(xù)吸收能量。界面處的sp2→sp3結構轉變及相關化學鍵斷裂、重組，也能夠進一步耗散外部載荷。這些機制彼此協(xié)同，使原本容易快速貫穿的裂紋被“拖慢”，從而顯著提高材料的斷裂韌性。

研究還發(fā)現(xiàn)，2000 ℃是獲得高硬度、高韌性協(xié)同性能的關鍵溫度。溫度過低時，碳納米管與金剛石之間的界面結合不足；溫度繼續(xù)升高至2200 ℃時，大量碳納米管進一步向金剛石轉化，三維網(wǎng)絡遭到破壞，雖然硬度繼續(xù)提升，但斷裂韌性反而明顯下降。

相關成果以“Multi-walled carbon nanotube network-toughened diamond composite via atomic interface continuity”為題，于2026年7月9日在線發(fā)表于《Nature Synthesis》。研究表明，通過設計連續(xù)的第二相網(wǎng)絡以及原子尺度界面鍵合，可以在保持金剛石超高硬度的同時大幅提升抗斷裂能力，為超硬材料的增韌提供了新的設計思路。

從產(chǎn)業(yè)角度看，這種兼具高硬度和高韌性的金剛石復合材料，有望為高端切削工具、耐磨部件、極端環(huán)境加工等領域提供新的材料方案。不過，目前成果仍處于實驗室研究階段，距離規(guī)模化制備和產(chǎn)業(yè)化應用仍需進一步驗證，其長期穩(wěn)定性、加工成本及大尺寸制備能力等問題也值得持續(xù)關注。

除了通過復合材料設計提升傳統(tǒng)金剛石的韌性，研究人員也在嘗試從晶體結構本身突破金剛石的性能邊界。2026年3月，鄭州大學聯(lián)合南京大學、河南科技大學等單位，在《Nature》發(fā)表研究成果，報道了毫米級、純相六方金剛石（Lonsdaleite）的成功制備。

六方金剛石與常見的立方金剛石都是由碳原子組成，但兩者的晶體排列方式不同。六方金剛石長期以來主要在隕石撞擊相關樣品中以極少量形式被發(fā)現(xiàn)，由于天然樣品尺寸小、純度有限，其獨立材料相的性質(zhì)一直難以系統(tǒng)研究。

此次研究以高度有序熱解石墨為原料，在約20 GPa的超高壓和高溫條件下進行轉變，獲得了毫米級塊體六方金剛石，并通過多種結構表征手段確認其晶體結構。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，該材料具有優(yōu)異的力學性能和熱穩(wěn)定性，為系統(tǒng)研究這一特殊碳材料提供了重要基礎。

值得注意的是，六方金剛石與此次碳納米管增韌金剛石代表了兩條不同的技術路線：前者通過改變碳原子的晶體排列，探索金剛石性能的“結構上限”；后者則通過構建三維碳納米管網(wǎng)絡和原子級界面，實現(xiàn)傳統(tǒng)金剛石“硬度與韌性”的協(xié)同提升。

從這一角度看，2026年的兩項研究雖然分別發(fā)表于《Nature》和《Nature Synthesis》，研究目標并不相同，卻共同指向了超硬碳材料發(fā)展的核心問題——如何突破傳統(tǒng)金剛石的性能邊界。一個是在晶體結構上尋找新的可能，一個是在復合結構和界面工程上實現(xiàn)性能躍升，或將共同拓展金剛石材料未來在極端加工、耐磨部件、熱管理乃至高端電子與量子領域的應用空間。