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近日，禁漫天堂 朱品文、李全、陶强教授与宁波大学崔田教授合作，在金刚石超硬材料的结构设计和可控制备研究方面取得新进展。相关研究成果以“Curved Graphite Precursors Enable Cubic–Hexagonal Diamond Heterostructures with Unprecedented Toughness–Hardness Synergy”为题，于2025年10月31日在线发表在《科学进展》（Science Advances）上。

随着先进制造、深地钻探和高压科学等领域的快速发展，学界和产业界对材料在极端环境下的力学性能不断提出更为严苛的需求。金刚石因其超高硬度、优异的化学稳定性和卓越的热导率，被誉为“材料之王”，长期以来在精密加工和极端条件应用中发挥着不可替代的作用。然而，这一“最硬的材料”也面临着韧性不足的固有局限。这一局限源于金刚石的本征结构特性。强共价键赋予了金刚石非凡的抗塑性变形能力，却也限制了位错运动和能量耗散机制，使其缺乏有效的应力缓冲途径。在复杂应力环境下，当局部载荷超过金刚石的抗裂极限时，裂纹更易被激活并快速扩展，导致结构破坏和失效。

“硬而不韧”成为制约金刚石应用空间的核心瓶颈。如何在保持极限硬度的同时显著提升断裂韧性，实现强度与韧性的协同优化，已成为材料科学领域亟待解决的重大挑战。突破这一瓶颈，不仅有望推动下一代超硬刀具、深地探测装备和高压装置的性能革新，更将为超硬材料的结构设计和性能调控提供全新的理论基础与工程路径。

自然界的演化孕育出诸多以结构几何实现功能调控的精妙机制。例如，含羞草的叶片在受到外力刺激时，借助内部曲率分布所引导的力学响应，能够迅速完成卷曲这一宏观运动。研究团队正是从这一自然机制中获得启发，提出了“仿生曲率诱导”策略：将自然界的“力学协同作用”引入到材料设计之中，以实现结构与性能的协同调控。

通过在石墨前驱体中构筑可编程的微米级曲率结构，团队在高温高压合成过程中实现了对局域应力场空间分布的主动调节，产生局部应力集中效应，从而主导了相变动力学过程。这种“仿生几何设计”理念的核心在于，让结构几何成为调控相变的“隐形手柄”。通过曲率诱导的应力场调控，研究团队在“常规静态高压条件”下实现了立方金刚石（CD）与六方金刚石（HD）相的协同生长，构建出具有复杂界面结构和层次调控能力的CD-HD 异质结构体系。该方法在传统静压体系中实现了相变路径的主动控制，打破了以往必须借助冲击波或强非静水压力才能诱导六方金刚石生成的技术壁垒，建立了“曲率—应力—结构”的设计思路。

这一仿生策略不仅拓展了材料结构设计的自由度，也从概念层面验证了通过结构几何调控实现材料演化可编程控制的可能性。研究结果显示，基于该方法制备的金刚石复合材料表现出优异的力学性能：维氏硬度高达169 GPa，比传统纳米多晶金刚石（NPD）提升36%；断裂韧性达到15.7 MPa·m^1/2，比NPD提高104%，约为天然金刚石的3倍。性能跃升源于“硬化—韧化”协同机制：一方面，六方金刚石相与立方金刚石形成的半共格界面及堆垛层错网络能有效抑制位错运动，提高材料强度；另一方面，裂纹在缺陷结构处发生偏转、分支和终止，且应力驱动的局域相变进一步吸收断裂能量，显著提升材料韧性。

本研究为破解金刚石材料“硬度与韧性难以兼得”的难题提供了新思路：通过对微结构应力场的有效调控，实现了对相变路径和界面结构构筑的有序引导，从而在材料设计源头实现了强度与韧性的协同优化。该工作体现了仿生结构设计与应力场工程的深度融合，能够在原子尺度上重塑材料的“结构—性能”的耦合关系，为突破超硬材料的性能极限提供了知识储备。该策略所揭示的“应力工程—相变调控—性能协同”机制，为多种关键超硬材料体系的设计与合成提供了新的理论框架与工程路径。该方法有望进一步推广至立方氮化硼（c-BN）、过渡金属硼化物以及B—C—N 三元化合物等重要超硬材料，为极端环境结构材料、耐磨防护涂层和高性能切削工具等关键领域的材料创新与产业化应用提供有力支撑。

“仿生曲率诱导”的金刚石超硬材料结构设计和实验制备。研究团队从含羞草叶片的曲率响应中获得仿生启发，通过在石墨前驱体中引入微米级曲率结构，实现了应力场的调控和设计，从而主导金刚石的相变路径与界面演化，构建出立方—六方异质结构。该结构有效抑制位错运动并耗散裂纹能量，实现了硬度与韧性的协同提升，为超硬材料的结构设计和可控合成提供了新思路。

论文第一作者为马孝慈博士、共同第一作者为王迪博士和连敏博士。朱品文教授、李全教授、陶强教授和崔田教授（宁波大学）为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、吉林省科技发展等项目资助，高温高压实验在综合极端条件实验装置B1（固体环境高温高压）实验站完成。

全文链接：

//doi.org/10.1126/sciadv.aea3692