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卓越した靭性を備えた階層構造のダイヤモンド複合材料
Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness.
PMID: 32555490 DOI: 10.1038/s41586-020-2361-2.
抄録
硬度と靭性（破壊に対する抵抗力）のトレードオフはよく知られており、特にダイヤモンドでは、両方の特性を同時に改善することは困難です。ダイヤモンドの硬度は、ナノ構造化戦略によって向上させることができますが、その中でも高密度ナノスケールの双晶（対称性によって関連した結晶領域）の形成は、ダイヤモンドを強化することができます。ダイヤモンド以外の材料では、ナノツイニング以外にも、バイオインスパイアされた積層複合材料の強靭化、変態強靭化、二相強靭化など、いくつかの有望な強靭化アプローチがあるが、ダイヤモンドではそのようなアプローチについての研究はほとんど行われていない。本研究では、ダイヤモンドポリタイプ(異なる積層配列)をコヒーレントに結合させ、ナノツインを織り込み、ナノグレインをインターロックさせたダイヤモンド複合材料の構造特性を明らかにした。この複合材料の構造は、硬度を犠牲にすることなく、ナノツイン単独よりも靭性を向上させることができた。シングルエッジノッチビーム試験では、合成ダイヤモンドの最大5倍、マグネシウム合金のそれ以上の靭性が得られます。破壊が発生すると、クラックは3C（立方体）ポリタイプのダイヤモンドナノツインをジグザグ状の経路で{111}面に沿って伝搬します。亀裂が非３Ｃポリタイプの領域に遭遇すると、亀裂の伝播は、亀裂表面付近で局所的に３Ｃダイヤモンドへと変化しながら、正弦状の亀裂に拡散していきます。どちらの過程もひずみエネルギーを散逸させ、靭性を向上させます。この成果は、超硬材料やエンジニアリングセラミックスの作製に役立つ可能性があります。硬化と靭性の相乗効果を持つ構造を利用することで、硬さと靭性のトレードオフを克服することができるかもしれません。
The well known trade-off between hardness and toughness (resistance to fracture) makes simultaneous improvement of both properties challenging, especially in diamond. The hardness of diamond can be increased through nanostructuring strategies, among which the formation of high-density nanoscale twins - crystalline regions related by symmetry - also toughens diamond. In materials other than diamond, there are several other promising approaches to enhancing toughness in addition to nanotwinning, such as bio-inspired laminated composite toughening, transformation toughening and dual-phase toughening, but there has been little research into such approaches in diamond. Here we report the structural characterization of a diamond composite hierarchically assembled with coherently interfaced diamond polytypes (different stacking sequences), interwoven nanotwins and interlocked nanograins. The architecture of the composite enhances toughness more than nanotwinning alone, without sacrificing hardness. Single-edge notched beam tests yield a toughness up to five times that of synthetic diamond, even greater than that of magnesium alloys. When fracture occurs, a crack propagates through diamond nanotwins of the 3C (cubic) polytype along {111} planes, via a zigzag path. As the crack encounters regions of non-3C polytypes, its propagation is diffused into sinuous fractures, with local transformation into 3C diamond near the fracture surfaces. Both processes dissipate strain energy, thereby enhancing toughness. This work could prove useful in making superhard materials and engineering ceramics. By using structural architecture with synergetic effects of hardening and toughening, the trade-off between hardness and toughness may eventually be surmounted.