中国科学院と北京航空航天大学の研究チームは、材料科学における長年の問題を解決しました。彼らは、ダイヤモンドの硬度を下げることなく、その靭性を向上させることに成功しました。このブレークスルーの鍵は、カーボンナノチューブを三次元ネットワークの形でダイヤモンド構造に直接織り込むことにあります。最終的な複合材料は、単結晶ダイヤモンドの5倍の耐裂靭性を達成し、天然材料と区別がつかない硬度を維持しています。この研究の論文は「原子界面の連続性によって製造された多壁カーボンナノチューブネットワークによるダイヤモンド複合材料の靭性向上」と題され、主な貢献者は張嘉偉、邱克良、余曉輝です。
報告された耐裂靭性は約31.9 MPa m1/2であり、単結晶ダイヤモンドの耐裂靭性は通常約6 MPa m1/2です。新材料の硬度は約91.6 GPaであり、天然および合成ダイヤモンドの範囲内に明らかに位置しています。
ダイヤモンドの脆性問題は古くから存在しています。特定の劈開面に正確な衝撃を加えると、ダイヤモンドが破損する可能性がありますが、他の物質では傷をつけることができません。この現象は自然界の偶然ではありません。ダイヤモンドに硬度を与える炭素結合は、同時に亀裂に直面したときに柔軟性が不足する原因となります。過去の研究者たちは、内部靭性向上戦略を採用し、ナノツイン、積層欠陥、またはアモルファス相を通じてダイヤモンドの内部微細構造を変更してきました。これらの方法は靭性を向上させましたが、通常はある程度硬度を犠牲にします。今回の研究は異なるアプローチを採用し、チームはこれを外的靭性向上と分類しました。
研究チームは合成過程で強化構造を導入しました：三次元の多壁カーボンナノチューブの連続ネットワークです。最終的な結果は、彼らが呼ぶところのナノチューブネットワークと周囲のダイヤモンドとの間の原子界面の連続性です。
新型靭性向上ダイヤモンド複合材料が靭性を大幅に向上
多壁カーボンナノチューブの直径は非常に小さく、人間の髪の幅の千分の一程度であり、単一のナノチューブは光学顕微鏡では検出できません。その引張強度は鋼の数十倍です。ナノチューブとダイヤモンド基体が接触する部分では、結合はsp3（ダイヤモンドのように）とsp2（グラファイトやナノチューブのように）ハイブリッドの混合形式です。これらの混合されたsp2-sp3界面は、機械的応力を複合材料全体に分散させ、単一の亀裂先端に集中させません。この集中がダイヤモンドが通常破裂するメカニズムです。最終的な結果は、材料がナノチューブネットワークを通じて亀裂の拡大を吸収し、偏向させることで、劈開面に沿って壊滅的な失敗を引き起こさないことです。
著者は、この靭性レベルが貫通弾用のタングステン合金を超えており、硬度は変わらないと報告しています。
現在、ダイヤモンドに依存する工業用途（切削工具、掘削機器、精密研磨など）は、脆性を避けられない制約として広く受け入れており、この欠陥を中心に設計されています。航空宇宙部品や高性能耐摩耗表面は、特に厳しい衝撃と摩耗の組み合わせに直面しており、これにより従来のダイヤモンドは限界に達しています。ダイヤモンドの硬度を保持しつつ、構造金属合金の耐裂性を備えた材料は、これらの用途の操作範囲を大幅に拡大します。この研究は、ダイヤモンド複合材料に関する以前の研究に基づいています。2020年に「Nature」誌に発表された論文は、階層構造を通じて高靭性を実現しましたが、硬度を完全には保持できませんでした。
ナノチューブに基づく外的構造を確立することで、このトレードオフを明確に解決できることを示したこの論文は、超硬複合材料の新しい設計戦略を導入しました。この研究は「Nature Synthesis」誌に初めて発表されました。