PNAS：大尺寸导电金刚石功能材料

近日，郑州大学单崇新教授团队联合吉林大学刘冰冰教授等人，在大尺寸导电高韧金刚石功能材料研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Centimeter-sized diamond composites with high electrical conductivity and hardness”为题发表在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。郑州大学杨西贵教授、臧金浩博士和赵兴举研究员为论文共同第一作者，郑州大学程少博教授、吉林大学刘冰冰教授和郑州大学单崇新教授为论文共同通讯作者。

金刚石作为自然界中硬度最高的物质，被誉为现代工业“牙齿”，广泛应用于航空航天、精密加工、油气钻探等涉及民生和国防的重要领域。由于金刚石的密堆积结构和饱和的强共价键，导致其具有较低的断裂韧性和差的导电性，极大地限制了金刚石的应用范围。长期以来，金刚石的硬度/韧性、导电性存在相互排斥的矛盾，是该领域亟待解决的关键科学问题。开发综合性能优异的大尺寸金刚石功能材料成为科学界和产业界不懈追求的目标。

针对以上问题，研究团队提出sp³向sp²键逆向相变新策略，发展了基于国产六面顶压机的大腔体高压新技术，以纳米金刚石为前驱体，在相对温和的压力/温度条件下开发了厘米级大尺寸高性能金刚石复合材料（Diaphene）的生长工艺。该金刚石复合物展现了金刚石所不具备的导电性和韧性：室温电导率高达2.0 ´ 10⁴ S/m，是已报道超硬材料中的最高值；维氏硬度为42.5-55.8 GPa；断裂韧性为10.8-19.8 MPa m^1/2，约是金刚石单晶的4倍。

大尺寸导电金刚石的维氏硬度和室温电导率

该金刚石复合物的成功制备实现了材料硬度、断裂韧性和导电性的协同优化，解决了金刚石材料无法兼具超硬、高韧和导电性的科学难题。该研究提出的金刚石向石墨逆向转变的新策略和发展的大腔体高压新技术，为大尺寸导电金刚石块材的规模化制备提供了可行途径。

该工作得到国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程项目等支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2316580121.