金刚石素有“硬度之王”的美誉，其独特的sp³杂化四面体结构赋予了它高达60-120 GPa的极限硬度，是制造切削刀具、钻探工具等不可或缺的工程材料。然而，金刚石的低断裂韧性极低（3.4-5.0 MPa·m1/2）使其极易发生脆性断裂，严重限制了其在更广泛工业场景中的应用。既想要金刚石的“硬”，又不想它那么“脆”——这道困扰超硬材料学界多年的难题，近日迎来关键突破。
2026年7月9日，国际顶级学术期刊《自然·合成》（Nature Synthesis）在线发表了一项重磅研究成果。由中国科学院物理研究所、北京航空航天大学、宁波东方理工大学等多家单位组成的联合研究团队，基于外部增韧策略成功制备出三维连续多壁碳纳米管网络增韧金刚石复合材料（3D-MWCNT-diamond）。该材料在原子尺度形成sp³2-sp³混合键合界面，成功将金刚石的断裂韧性提升至单晶金刚石的约六倍，同时保持其超高硬度。相关论文以《Multi-walled carbon nanotube network-toughened diamond composite via atomic interface continuity》为题发表。
长期以来，科学家们尝试通过纳米孪晶、堆垛层错、非晶相等内部微观结构调控（即“内部增韧”）来提升金刚石的韧性。但这些方法在提升韧性的同时往往导致硬度下降，硬度和韧性之间的权衡关系一直未能有效突破。引入增韧第二相的“外部增韧”策略似乎更有前景。碳纳米管/石墨烯具有极高的强度和弹性模量，是理想的增韧材料，但其应用通常面临两个关键技术难题：
难题一：界面化学键合缺失，载荷传递受阻。碳纳米管与金刚石基体之间若缺乏有效的化学键合，界面仅靠物理接触，载荷传递效率较低，增韧效果将十分有限。
难题二：结构连续性不足，硬度下降。早期异质结构设计常形成孤立的金刚石“岛屿”，缺乏连续的三维骨架，导致材料在获得一定韧性的同时，宏观硬度显著下降。
针对上述两个难题，研究团队选用多壁碳纳米管（MWCNTs）作为增韧相，将多壁碳纳米管纤维与金刚石微粉（粒径0.8-1.3 μm）在分散剂中通过超声和球磨充分混合，使碳纳米管均匀分布在金刚石颗粒之间的间隙中；之后将预压成型的坯体置于二级增压的超高压装置中，并在15 GPa的超高压和2000 °C的高温条件下进行烧结，如下图所示，其优势在于：
应力分区与连续网络构筑。针对结构连续性不足的问题，研究团队利用金刚石微粉在高压下的不均匀应力分布，实现了“高压区成键、低压区保结构”的协同设计——金刚石晶粒相互桥接形成承力骨架，接触点承受极高局部应力并实现晶粒间的牢固D-D键合，确保整体硬度；桥接所包围的间隙区域则成为天然“低压腔体”，实际压力被维持在约8-13 GPa之间，既高于石墨化阈值、又低于碳纳米管完全相变为金刚石的临界点，从而保护嵌入其中的碳纳米管保留sp2纤维结构。这一设计构建了三维连续碳纳米管网络与三维金刚石框架相互贯穿的异质结构，避免了孤立“岛屿”的形成。
原子级sp2-sp3混合杂化界面。针对界面化学键合缺失的问题，研究团队在高温高压条件下使碳纳米管与金刚石界面形成直接的共价连接。两种功能分区在界面处通过混合sp2-sp3共价键实现原子尺度的无缝连接，这种原子级厚度的混合杂化界面取代了松散的物理接触，大幅提升了界面剪切强度和载荷传递效率。
图1 3D-多壁碳纳米管-金刚石复合材料的制备流程与结构特征
图2 3D-多壁碳纳米管-金刚石复合材料的多尺度结构表征
上述两方面的技术优势有效解决了碳纳米管增韧金刚石的两个关键难题。如下图所示，经过系统优化，研究团队最终在2000 °C和15 GPa条件下制备出兼具高硬度和高韧性的3D-MWCNT-diamond复合材料：硬度：91.6 ± 3.1 GPa（维氏硬度，29.4 N载荷），与单晶金刚石相当；断裂韧性：单边缺口梁（SENB）测试平均值为31.9 MPa·m1/2，最高达36.4 MPa·m1/2，约为单晶金刚石的5-6倍。与之相比，钨合金（97W-2Ni-1Fe）SENB韧性为25.6 MPa·m1/2。
研究还发现，2000 °C是性能优化的关键温度点：低于此温度时界面结合不足，硬度和韧性均较低；高于此温度时，碳纳米管向金刚石转化加剧，三维网络结构被破坏，韧性迅速下降。这一结果表明，碳纳米管网络结构的完整性对复合材料韧性提升起决定性作用。
图3 3D-多壁碳纳米管-金刚石复合材料的力学性能
为了揭示上述力学性能提升的微观机制，研究团队通过原位透射电镜（TEM）拉伸实验（图4）和密度泛函理论（DFT）模拟（图5），从宏观到原子尺度系统分析了复合材料的增韧行为。
1.裂纹偏转与曲折扩展：裂纹在包含碳纳米管的复合区域与纯金刚石相中表现出截然不同的扩展模式。在纯金刚石相中，裂纹沿{111}晶面呈直线快速扩展，呈现典型的脆性断裂特征；而在碳纳米管网络与金刚石的界面处，裂纹扩展方向发生频繁改变，路径呈明显的弯曲和锯齿状，这种大角度的裂纹偏转有效延长了裂纹扩展路径，增加了能量耗散。
2.碳纳米管的拔出与桥接：高倍成像进一步证实，在断裂区域碳纳米管从基体中被拔出，部分碳纳米管横跨于裂纹两侧晶粒之间起到桥接作用，持续承载直至断裂，这一过程如同钢筋混凝土中的钢筋，在材料断裂时持续承载载荷并耗散能量。
3.原子尺度的sp2-sp3相变：DFT模拟揭示了一个更为精妙的微观机制——在剪切应变作用下，sp2杂化碳层之间会发生局部的sp2-sp3转变，形成亚稳态碳多晶型物（carbon polymorphs）。这些碳多晶型物在持续变形过程中不断发生相变，持续耗散应变能，有效抑制了脆性断裂的发生。
图4原位TEM揭示的3D-MWCNT–金刚石复合材料增韧机理
图5 MWCNT/金刚石界面简化模型的DFT模拟揭示原子尺度增韧机制
总之，该研究通过外部增韧策略，在金刚石基体中构建了三维连续碳纳米管网络与金刚石框架相互贯穿的异质结构，并在界面处实现了原子级sp2-sp3共价键合，解决了碳纳米管增韧金刚石中载荷传递效率低和结构连续性不足两个关键难题。复合材料在保持与单晶金刚石相当硬度（91.6 GPa）的同时，断裂韧性提升至其单晶的5-6倍（最高36.4 MPa·m1/2）。这一结构设计范式为开发下一代超硬工具和抗冲击复合材料提供了可行的技术路径。
该研究由中国科学院物理研究所、宁波东方理工大学、北京航空航天大学、北京高压科学研究中心、四川大学、南方科技大学、海南大学等合作完成。中国科学院物理研究所博士后张佳威（现宁波东方理工大学研究助理教授）、北京航空航天大学博士后仇克亮、博士徐腾飞（现中国计量大学讲师）和中国科学院物理研究所沈希副研究员为共同第一作者；北京航空航天大学陈科、张瑞丰教授以及中国科学院物理研究所洪芳副研究员、于晓辉研究员为共同通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置”（SECUF）的大力支持。
相关文章链接：
Network-Toughened Diamond Composite via Atomic Interface Continuity, Nature Synthesis. 10.1038/s44160-026-01113-5 (2026). https://doi.org/10.1038/s44160-026-01113-5
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