金剛石是人類(lèi)目前已知的最堅(jiān)硬的材料，由于其具有超高的硬度、優(yōu)越的不可壓縮性和耐磨性，因此在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是，金剛石是一種脆性材料，其斷裂韌性較差，嚴(yán)重影響了由金剛石制成的各類(lèi)工具的使用壽命。最近的一些實(shí)驗(yàn)研究表明，在金剛石中引入納米孿晶和非3C相的多型體結(jié)構(gòu)，有助于同時(shí)提高金剛石的硬度和韌性，從而解決金剛石材料無(wú)法兼具超硬超韌的科學(xué)難題。但是，納米孿晶和多型體結(jié)構(gòu)如何有助于增韌，其背后的物理機(jī)制一直是未知的。

　　8月6日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授課題組在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上在線發(fā)表了題為“含不同多型體納米孿晶金剛石的增韌和裂紋愈合機(jī)制”(Toughening and crack healing mechanisms in nanotwinned diamond composites with various polytypes)的研究論文。通過(guò)大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)方法，并結(jié)合斷裂力學(xué)理論，李曉雁團(tuán)隊(duì)從原子尺度上揭示了含不同多型體納米孿晶金剛石的增韌和裂紋愈合機(jī)制，為設(shè)計(jì)和制備強(qiáng)韌協(xié)同的新型超硬材料提供了重要的理論基礎(chǔ)。

　　李曉雁團(tuán)隊(duì)首先建立了含有多種多型體結(jié)構(gòu)和納米孿晶的原子模型，然后采用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了裂紋在含不同多型體納米孿晶金剛石中的擴(kuò)展，研究了裂紋與納米孿晶以及多型體之間的相互作用，并基于斷裂力學(xué)理論定量計(jì)算了含不同多型體納米孿晶金剛石的能量釋放率（表征材料的斷裂韌性），同時(shí)分析了納米孿晶和不同多型體對(duì)于增韌的貢獻(xiàn)。大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果揭示了三種典型的增韌機(jī)制：孿晶界和多型體的相界能夠有效地阻礙裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致裂尖前方非局域化的塑性變形；裂紋在孿晶區(qū)或多型體區(qū)域會(huì)發(fā)生偏折，形成之字形或蜿蜒的裂紋擴(kuò)展路徑；裂尖的高應(yīng)力水平導(dǎo)致裂尖區(qū)域發(fā)生相變，形成無(wú)序的原子鏈團(tuán)簇。同時(shí)，分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果展示了在卸載過(guò)程中，表面相對(duì)光滑的裂紋會(huì)發(fā)生逐漸愈合。這一裂紋愈合行為與卸載過(guò)程中裂紋表面的共價(jià)鍵重新形成有一定的關(guān)聯(lián)，并且愈合的程度依賴(lài)于裂紋表面的光滑程度。這一裂紋愈合行為表明，相比于傳統(tǒng)的金剛石，含不同多型體納米孿晶金剛石具有更長(zhǎng)的使用壽命。

裂紋在含多型體納米孿晶金剛石中的擴(kuò)展行為：A 含納米孿晶，B 含納米孿晶和多型體結(jié)構(gòu)

　　近年來(lái)，李曉雁課題組主要從事新型微納米結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)筑設(shè)計(jì)、先進(jìn)制備和力學(xué)行為研究，在相關(guān)領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要的研究成果。該論文第一作者為清華大學(xué)航院博士生曾永攀，論文的通訊作者為李曉雁教授。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的大力支持。