编者按：为有效推动科学普及与科技创新两翼齐飞，营造尊重科学、崇尚创新的浓厚氛围，我们再次推出“科学家讲科学”系列科普讲座，在上一期邀请我省自然科学基金创新研究群体基础上，此次燕赵青年科学家项目负责人带来了他们各自研究领域基础科学知识，带你用好奇更新已知边界，用科学连接未来生活。让我们与省自然科学基金背后的专家面对面，与科学零距离，继续有料有趣的奇妙科普旅程！

　　今天让我们走进燕山大学赵智胜教授团队，解密压力产生的新型碳和氮化硼材料。

　　压力产生的新型碳和氮化硼材料

　　碳的独特之处在于它可以形成性能迥异的各种构型，例如石墨、金刚石、石墨烯、富勒烯、碳纳米管等。与碳相似，氮化硼也具有多种构型。正由于碳和氮化硼材料具有优异的物理化学性能，从而得到了广泛研究与应用。

　　

　　图1：燕山大学“科学家讲科学”科普讲座现场

　　像石墨烯、富勒烯、碳纳米管等碳材料都是在常压或负压条件下合成的，常用的制备手段包括机械剥离、电弧法、物理化学气相沉积法等。压力作为独立于温度和化学组分的热力学参量，能够诱导结构相变，形成新相。碳和氮化硼具有不同的构型，这些构型在压力下的动力学转变途径不同。因此，通过压力调控相变有望获得一系列新型碳和氮化硼材料。

　　赵智胜所在团队利用该策略创制出一系列新型碳和氮化硼材料，包括纳米孪晶金刚石和立方氮化硼（最硬材料）、超硬自润滑的石墨-金刚石杂交碳（以Gradia命名）、系列非晶碳（包含最硬非晶材料）、导电超硬的非晶碳/金刚石复合材料、室温高弹塑性的转角层状氮化硼陶瓷等高性能亚稳材料。下面以Gradia和转角层状氮化硼陶瓷为例进行介绍。

　　一、石墨-金刚石杂交碳（Gradia）

　　石墨和金刚石是自然界中最常见的碳材料。上世纪中叶，人们利用石墨在高温高压下的相变成功合成出金刚石。由于相变过程是在高温高压“黑盒子”里进行的，因此难以直接观测和理解。为了揭开这个奥秘，研究团队从石墨/金刚石的界面入手来寻找相变机制的可能线索。在石墨部分相变的样品中，研究团队发现石墨层与金刚石层之间存在一一对应关系，也就是说石墨和金刚石之间是共格连接在一起的，它们并不是简单的机械混合物。团队将这种具有共格界面结构的石墨-金刚石杂交碳材料命名为Gradia。Gradia可以理解为石墨层间部分成键形成金刚石, 而其它部分仍保持石墨结构。它的发现表明了石墨到金刚石的相变并不是一次性完成的，而是存在一个中间的过渡组织结构。

　　Gradia集合了石墨和金刚石的性能优势，展现出超高的硬度与韧性、出色的自润滑性以及可调的导电性。通过调控石墨和金刚石的比例可实现对Gradia性能的精准调控，使其成为具有导电/超硬、自润滑/超强、极硬/高韧等优异性能组合的新一代高性能碳材料。

　　二、具有室温高弹塑性的转角层状氮化硼陶瓷

　　陶瓷在室温下几乎无塑性，仅经历很小的弹性变形就会发生脆性断裂，引发灾难性事故，这是陶瓷作为工程材料的致命弱点。自陶瓷问世以来，人们一直梦想能制造出像金属那样可变形的塑性陶瓷。遗憾的是，人们仅能在高温或微纳尺度下观察到陶瓷的塑性变形行为，实现陶瓷块材室温塑性这一科学目标一直面临巨大挑战。

　　

　　图2：燕山大学赵智胜教授

　　团队采用功能基元序构的设计策略，通过调控高能亚稳态到低能亚稳态的固态相变，合成出层状基元转角序构的氮化硼陶瓷。这种转角层状氮化硼陶瓷块材具有高的室温变形能力：单轴压缩的断裂应变高达14%，比传统陶瓷块材高出一个数量级。这种陶瓷的强度是传统层状六方氮化硼陶瓷的6-10倍，卸载后的永久塑性变形高达8%，打破了结构材料强度和塑性难以同时提升的传统认知。转角层状氮化硼陶瓷不仅具有高强度和高塑性，还具有高的能量吸收能力和抗疲劳性，具有重要的应用前景。

　　未来，研究团队将围绕相变机理、大尺寸材料制备以及应用这三个方面开展深入研究。揭示各种碳和氮化硼构型在不同压力和温度条件下的相变机理，创制出更多新型碳和氮化硼材料；发展这些材料的大尺寸制备技术，合成出分米尺寸的高性能块材，实现其在机械加工、高端装备、航空航天等领域的重要应用。

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