什么是“超硬材料”？至今為止并沒有一個統一的定義。1980年，GE公司的Wentor在《科學》雜志上發文，將超硬材料定義為維氏硬度超過40GPa的材料。這個定義目前得到較多人的認可。

       傳統上的超硬材料其實只有兩種，一種是金剛石，包括天然金剛石和人造金剛石，其維氏硬度值達70-150GPa；另一種是立方氮化硼，其維氏硬度達48GPa。但隨著經濟的發展和科技的進步，對超硬材料的需求越來越大，性能要求越來越高，因此從上世紀九十年代以來，超硬材料行業中的很多公司和研究機構開始對新型超硬材料展開了系統的研究和開發。

       從現有的文獻資料看，這些研究開發主要包括兩個方向：

       一是從晶體化學鍵的角度入手，設計新的材料。硬度是固體材料抵抗彈性和塑性變形的能力，其大小與與化合物或元素的分子體積、化學鍵性質及晶體結構密切相關。從現有的文獻看，由硼、碳、氮、氧等輕元素構成的超硬材料是當前主要的研究對象，包括，包括立方氮化硼、碳化硼、硼碳氮（BC2N、BC4N等）等。這是因為，輕元素的原子半徑小、鍵長短、鍵能高，可形成高原子密度、超強共價鍵和三維空間網絡狀的致密結構，從而使材料具有很高的硬度。比如，BC2N的硬度可達76GPa，BC4N的硬度可達68GPa。過渡金屬與輕元素組成的化合物是另一個研究的方向，包括硼化錸、硼化鎢、硼化鋨、氮化錸等。其主要原因是因為到過渡金屬可以提供較高的價電子密度來抵抗形變。不過，由于離子鍵或金屬鍵的存在，大部分過渡金屬硼化物、碳化物和氮化物的硬度很難達到40 GPa以上。

       二是在材料中引入某些特殊的結構。這方面發展最成功的就是所謂的納米“聚晶材料”，也就是納米陶瓷。研究表明，材料內部缺陷會嚴重影響到其硬度，而納米陶瓷可以有效地減小、消除的微裂紋，破壞其生長和聚集，從而大幅度提高材料的硬度。比如，有人制備了晶粒尺寸為10-50nm的納米金剛石陶瓷，其維氏硬度達到140GPa,遠遠高于普通的單晶金剛石；還有人燒結出納米BC2N 和 BC4N陶瓷，其硬度可達 62-68 GPa。 除了硬度提高，納米超硬陶瓷還有一個顯著的優點，就是因為其內部晶粒取向隨機，因此宏觀上為各向同性，這相比于單晶的各向異性，在應用上更有其優勢。

       納米“聚晶材料”也就是納米陶瓷的一個新發展是“納米孿晶”。所謂“孿晶”是指沿一個公共晶面（孿晶面）構成鏡面對稱的位向關系的兩個晶體（或一個晶體的兩部分）。這方面一個典型的例子就是2014年《自然》雜志的一篇報道：燕山大學的研究團隊用洋蔥碳為原料，在 18-25 GPa/1850-2000 ℃的條件下，制備出具有納米孿晶結構的納米金剛石陶瓷，其硬度最高達200GPa，遠遠高于金剛石單晶硬度（90GPa）。同時，同時相比于單晶金剛石，其初始氧化溫度提高了200 ℃。這是因為孿晶中的共格晶界的晶格失配能和晶界化學勢都較小，熱穩定性更高。另外，燕山大學的研究團隊制備出納米孿晶立方氮化硼塊體（nt-cBN）材料，其維氏硬度高于100 GPa。

       除了納米“聚晶材料”，次晶和非晶的超硬結構在近年來也很受重視。這是因為由于從材料結構上看，當納米材料的晶粒尺寸不斷減小時，必然存在向次晶和非晶轉化的趨勢。而從研究的結果看，其前途也十分光明。比如，2021年《自然》雜志上報道，有人以C60作為原料，成功合成了毫米級的透明非晶碳塊體材料，其維氏硬度高達102GPa。

       當然，說到“超硬材料”的發展，自然會在理論上涉及一個“理想硬度”的概念。材料的“理想硬度”究竟是多少呢？能實現嗎？這在材料力學中，實在是一個非常吸引人的話題。我們有機會再來聊吧。