弯曲石墨前驱体制备出超硬又耐裂的新型钻石材料

金刚石基材料长期面临硬度与韧性难以兼顾的难题，这使其在极端环境中的应用受到限制。传统纳米多晶金刚石虽硬度接近单晶金刚石（约120吉帕），韧性也有提升（5.6-7.7兆帕·米¹/²），但因缺乏位错介导的塑性和裂纹桥联机制，韧性仍不足，难以满足精密加工、超高压研究和深部钻探等极端环境的使用需求。

为解决这一瓶颈，研究团队借鉴含羞草叶片折叠产生局部应力的特性，设计了具有微尺度弯曲结构的石墨前驱体（仿生弯曲石墨）。这种弯曲结构在常温下就存在晶格弯曲和应变梯度，形成“封存预应力”。在15吉帕压力、2300开尔文温度的高温高压条件下，弯曲前驱体通过局部应力集中，模拟非静水应力环境，促使六方金刚石在立方金刚石基体中形核，成功制备出立方-六方金刚石异质结构复合材料。

实验结果显示，该复合材料表现出卓越的力学性能：维氏硬度达169吉帕，压痕韧性达15.7兆帕·米¹/²，分别比单相纳米多晶金刚石提升36%和104%。其性能增强源于多尺度协同机制：微观上，堆叠fault互锁网络和半/共格界面抑制位错运动，提升硬度；宏观上，裂纹遇到堆叠fault时发生偏转、分叉和局部停滞，同时相变耗散断裂能，从而增强韧性。

该研究通过仿生微观结构工程，突破了超硬材料硬度与韧性的固有权衡，且无需特殊高压设备，可通过常规大体积压机合成，为制备高性能金刚石基复合材料提供了可扩展的新策略，对极端环境材料设计具有重要启示。