金刚石材料研究论文

金刚石是自然界中最硬的晶体材料，近几十年来，人们一直在为进一步提高金刚石材料的硬度而不断努力。研究表明，晶粒尺寸为10-30 nm的纳米金刚石努氏硬度高达110-140 GPa，明显高于单晶金刚石。平均孪晶厚度为5-8 nm的纳米孪晶金刚石的维氏硬度可达175-200 GPa，是单晶金刚石硬度的两倍，打破了已知超硬材料的硬度极限。能否进一步提高金刚石材料的硬度就成为新型超硬材料设计和制备的一个重要科学问题。

来自燕山大学田永君院士团队的温斌教授等，与美国芝加哥大学的王雁宾教授合作，提出了一种新型的交织纳米孪晶金刚石结构。通过分析交织纳米孪晶界对位错滑移临界分切应力的影响，利用Sachs模型，计算了交织纳米孪晶金刚石的硬度。结果表明，交织纳米孪晶界比一般纳米孪晶更能提高金刚石的硬度。其硬化机理是由于交织孪晶界阻碍了更多滑移面上的位错移动，进而增加了位错滑移的临界分切应力。直接的分子动力学模拟进一步验证了这一结果。这项研究工作将为新型超硬材料的实验合成提供一条新思路。

该文近期发表于 npj Computational Materials 6 : 119 (2020)，英文标题与摘要如下，点击可以自由获取论文PDF。

Intersectional nanotwinneddiamond-the hardest polycrystalline diamond by design

Jianwei Xiao, Bin Wen, Bo Xu, Xiangyi Zhang, Yanbin Wang & Yongjun Tian

The hardness of nanotwinned diamond (nt-diamond) is reported to be more than twice that of the natural diamond, thanks to the fine spaces between twin boundaries (TBs), which block dislocation propagation during deformation. In this work, we explore the effects of additional TBs in nt-diamond using molecular dynamics (MD) calculations and introduce a novel intersectional nanotwinned diamond (int-diamond) template for future laboratory synthesis. The hardness of this int-diamond is predicted by first analyzing inpidual dislocation slip modes in twinned grains and then calculating the bulk properties based on the Sachs model. Here we show that the hardness of the int-diamond is much higher than that of nt-diamond. The hardening mechanism of int-diamond is attributed to the increased critical resolved shear stress due to the presence of intersectional TBs in nt-diamond; this result is further verified by MD simulations. This work provides a new strategy for designing new super-hard materials in experiments.

第一，可以体现作者的总体思路。提纲是由序码和文字组成的一种逻辑图表，是帮助作者考虑文章全篇逻辑构成的写作设计图。其优点在于，使作者易于掌握论文结构的全局，层次清楚，重点明确，简明扼要，一目了然。第二，有利于论文前后呼应。有一个提纲，可以帮助我们树立全局观念，从整体出发，在检验每一个部分所占的地位、所起的作用，相互间是否有逻辑联系，每部分所占的篇幅与其在全局中的地位和作用是否相称，各个部分之间的比例是否恰当和谐，每一字、每一句、每一段、每一部分是否都为全局所需要，是否都丝丝入扣、相互配合，成为整体的有机组成部分，都能为展开论题服务。经过这样的考虑和编写，论文的结构才能统一而完整，很好地为表达论文的内容服务。第三，有利于及时调整，避免大返工。在毕业论文的研究和写作过程中，作者的思维活动是非常活跃的，一些不起眼的材料，从表面看来不相关的材料，经过熟悉和深思，常常会产生新的联想或新的观点，如果不认真编写提纲，动起笔来就会被这种现象所干扰，不得不停下笔来重新思考，甚至推翻已写的从头来过;这样，不仅增加了工作量，也会极大地影响写作情绪。毕业论文提纲犹如工程的蓝图，只要动笔前把提纲考虑得周到严谨，多花点时间和力气，搞得扎实一些，就能形成一个层次清楚、逻辑严密的论文框架，从而避免许多不必要的返工。另外，初写论文的学生，如果把自己的思路先写成提纲，再去请教他人，人家一看能懂，较易提出一些修改补充的意见，便于自己得到有效的指导。

1 单晶金刚石刀具的选料与定向制作单晶金刚石刀具第1 步工作就是选料,根据不同的加工条件、方法,选择合适的原材料不仅可以保证刀具的质量,而且可以避免浪费金刚石原材料而增加加工成本。一般刀具用金刚石原材料要求晶体完整、无裂痕,晶体表面应该尽量平整,最小直径一般应不小于4 mm ,重量为0. 7～3 ct 。由于刀具的要求,或金刚石形状所决定,有时候需要将金刚石原石分割。金刚石具有平行完全解理,金刚石中的碳原子与碳原子之间是以较大力量的共价键结合在一起的。但是在金刚石结构中的某些特定方向,如平行八面体面方向施加一定的力后,金刚石非常容易破裂,主要是因为金刚石晶体中连接此面的键相对较少。因此选择金刚石的解理面进行分割原石,劈开的方法如图1 所示。在需要劈开的金刚石上开出一条称为切缝的槽或刻痕。劈开的技巧在于知道从哪里开缝以及要切多深。切缝要想磨出一把高质量单晶金刚石刀具,必须掌握单晶金刚石的晶体定向技术。这主要是由于单晶金刚石的各向异性的特点决定的,金刚石的各个方向上的硬度差别很大。要选择合适的晶面和晶向作为刀具的前刀面、后刀面,即刀刃,使其耐磨性和加工性能达到最好。金刚石晶体各界面在好磨方向上, 晶面的磨削率最低, 晶面次之, 晶面磨削率最高。由于 晶面硬度太高,研磨加工困难,而且微观强度不高,易解理,很难磨出锋利刃口。晶面在好磨方向上磨削率比晶面高近一倍, 但从金刚石不同晶面产生破损的机率来适用各种型号的电机进行综合保护。对于不同的电机只需调整相应阀值即可。