新型低密度超硬正交金刚石/24%石英复合材料的制备与性能研究

本研究通过低成本单步直接反应合成法，首次制备出以正交金刚石为基体、含24 vol% SiO2的低密度超硬复合材料。该材料硬度达70 GPa，密度仅1.23 g cm?3，创下56.91 GPa/g cm?3的比硬度纪录，为航空航天等领域的轻量化超硬材料开发提供新思路。

　　

在材料科学领域，超硬材料一直是工业应用的核心需求，从切削工具到航天器防护都离不开这类材料。然而传统超硬材料如立方金刚石（硬度56-115 GPa）和立方氮化硼（c-BN）往往面临两大瓶颈：一是合成需要极端高温高压条件（>12 GPa），二是高密度（金刚石3.51 g cm^?3）限制了轻量化应用。更令人遗憾的是，理论预测的正交晶系金刚石（Orth-C₁₀和C24-Q）虽具有62 GPa和50 GPa的预期硬度，却始终未能实现宏观制备。

这一困局被来自中国的研究团队打破。通过创新的无压合成策略，研究人员以稻壳（SiO₂源）与活性炭/碳酸钡（4:1）混合物为原料，在1000°C密闭容器中反应5小时，成功制备出全球首个块体正交金刚石基复合材料。该成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，标志着超硬材料领域取得三重突破：首次实现正交金刚石的宏观合成、创纪录的比硬度性能、以及革命性的低成本制备路径。

研究团队采用多尺度表征技术体系验证材料特性：X射线衍射（XRD）确认正交晶系结构，场发射扫描电镜（FESEM）结合能谱（EDS）分析元素分布，高分辨透射电镜（HRTEM）与电子能量损失谱（EELS）解析原子排列，拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）验证sp³杂化键，维氏硬度测试显示70 GPa的超硬特性。特别值得注意的是，材料密度仅1.23 g cm^?3，归因于正交金刚石基体中均匀分布的空位缺陷。

【宏观形貌与密度】
毫米级多面体颗粒（直径3.33±0.38 mm）通过水置换法测得1.23 g cm^?3的密度，较传统金刚石降低65%，为已知超硬材料中最低。

【结构表征】
XRD谱中2θ=42.3°和75.8°的特征峰对应正交金刚石（空间群Pbam），HRTEM显示（101）晶面间距0.21 nm，EELS证实碳K边电离能292.5 eV，均区别于立方/六方金刚石。

【形成机制】
热力学计算显示反应ΔG=-187 kJ/mol，碳酸钡分解产生的活性碳原子在SiO₂表面成核，最终形成含24 vol%石英相的正交金刚石基复合材料。

【力学性能】
维氏硬度70 GPa超越理论预测值（62 GPa），56.91 GPa/g cm^?3的比硬度是此前纪录（15.30 GPa/g cm^?3的bct-BN）的3.7倍。

这项研究颠覆了超硬材料必须高压合成的传统认知，通过巧妙的反应设计实现正交金刚石的成核生长。材料独特的性能组合（超高硬度、极低密度、超高比硬度）使其在航天结构件、轻量化装甲等领域具有革命性应用潜力。研究团队特别指出，该合成路线成本仅为高压法的1/20，且易于放大生产，为工业化应用铺平道路。未来通过调控石英相含量和空位浓度，有望获得性能可调的系列超硬复合材料，开辟全新的材料设计范式。