随着先进制造、深地钻探和高压科学等领域的快速发展，材料在极端环境下的力学性能需求愈发严苛。金刚石因其极高硬度、优异化学稳定性与卓越热导率，被誉为“材料之王”，在精密加工和极端条件应用中具有重要价值。然而，金刚石普遍存在韧性不足的问题：其强共价键结构虽然带来非凡硬度，却限制了能量耗散与位错运动，使其在复杂应力环境下易出现裂纹并导致失效。

       如何在保持极限硬度的同时显著提升断裂韧性，是超硬材料领域长期面临的核心挑战。破解这一矛盾，将为下一代高性能刀具、深地探测装备及高压装置带来突破性提升。

       近日，吉林大学物理学院朱品文、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与可控制备方面取得新进展。相关成果以 “Curved Graphite Precursors Enable Cubic–Hexagonal Diamond Heterostructures with Unprecedented Toughness–Hardness Synergy” 为题，于2025年10月31日发表在《Science Advances》上。

       研究团队从自然界中汲取灵感，提出了“仿生曲率诱导”设计思路：通过在石墨前驱体中引入可编程的微米级曲率结构，在高温高压条件下实现对局部应力场的精准调控，从而主导相变过程。这种几何设计使结构曲率成为调控相变的“隐形手柄”，在常规静压条件下成功实现了立方金刚石（CD）与六方金刚石（HD）相的协同生长，构筑出具有复杂界面结构的CD–HD异质结构。这一方法打破了传统上需依赖冲击波或非静水压力才能生成六方金刚石的技术限制，建立了“曲率—应力—结构”的全新设计路径。

       通过这种策略制备的金刚石复合材料表现出优异的综合力学性能：维氏硬度达169 GPa（较传统纳米多晶金刚石提升36%），断裂韧性达15.7 MPa·m¹ᐟ²（提升104%，约为天然金刚石的3倍）。性能提升来自于“硬化—韧化协同机制”：立方与六方金刚石之间的半共格界面与堆垛层错结构能有效抑制位错运动、提高强度；同时裂纹在界面处发生偏转、分支及终止，并伴随局域相变吸收能量，从而显著增强韧性。

       该研究从微结构应力调控出发，实现了金刚石材料在强度与韧性上的协同优化，体现了仿生结构设计与应力场工程的有机结合。其提出的“应力工程—相变调控—性能协同”机制，为超硬材料性能极限的突破提供了新的理论框架与工程路径。

       这一方法未来有望推广至立方氮化硼（c-BN）、过渡金属硼化物以及B–C–N三元化合物等体系，为极端环境结构材料、耐磨防护涂层和高性能切削工具等领域的材料创新与产业化应用提供新的解决思路。

       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。