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我国科学家合成金刚石里的 “六边形战士”,引领超硬材料新突破​

来源:航化网发表时间:2025-07-31 17:45:03浏览量:897

金刚石,作为自然界中最坚硬的物质,长久以来在工业、科技和高端制造领域占据着不可替代的地位。

然而,科学家们一直在寻找更强大的材料,以应对极端环境下的应用需求。

近日,中国科学家在这一领域取得重大突破——成功合成高纯度、百微米级的六方金刚石,这一成果于6月30日发表在顶级国际期刊《自然》上。这一突破不仅解决了人工合成六方金刚石的世界性难题,更为超硬材料、高端电子器件和航空航天等领域的发展指明了新的方向。

我国科学家合成金刚石里的 “六边形战士”,引领超硬材料新突破

左图为常见金刚石的碳原子结构排列,右图为六方金刚石的碳原子排列

金刚石俗称“金刚钻”

金刚石作为一种天然存在的物质,未经打磨切割时便是钻石的原石,它还有个俗称叫 “金刚钻”。其实,我们平常所说的钻石,其本质是由纯碳构成的矿物,而金刚石正是这种矿物的本体。在自然界中,金刚石的硬度堪称之最,这也让它拥有了广泛的应用场景,既可以被制作成精美的工艺品,也能在工业领域充当切割工具。值得一提的是,碳元素在高温高压的环境下能够转化为金刚石。

从本质来讲,金刚石和钻石是同一种物质,就如同木头和用木头制成的家具一般。金刚石可以被称为金刚钻,同时它也是钻石的原石,而钻石则是金刚石经过打圆、切割和抛光等精细加工后的产物。由于二者本质相同,所以它们都属于世界上最坚硬的物质。不过,并非所有的金刚石都能被加工成钻石,这需要经过多道工序的筛选和处理。只有那些质地优良、颗粒较大的宝石级金刚石,才有资格被用来加工成钻石;而大部分属于钻头级、磨料级的金刚石,则只能应用于工业中的切割、研磨和抛光等环节。

我国科学家合成金刚石里的 “六边形战士”,引领超硬材料新突破

金刚石样本

那些能够被用来加工成钻石的金刚石,就是钻石的毛坯。钻石工匠首先会对这些毛坯进行检验,之后借助激光切割技术对钻坯进行切割。切割完成的钻坯,还需要用自动研磨机打磨成圆形或者其他所需的样式。经过这一系列复杂的操作,一颗光彩夺目的钻石便最终呈现在人们眼前了。

金刚石的局限与六方金刚石的潜力

1、普通金刚石:硬度之王,但并非完美

金刚石的碳原子呈四面体网格状排列,这种结构赋予其极高的硬度和耐磨性,使其成为“硬度之王”。然而,这种结构也存在固有缺陷:在某些特定方向上,金刚石的晶格容易发生滑移变形,导致其强度受到限制。这一弱点在极端高压、高温或高应力环境下尤为明显,限制了金刚石在更严苛条件下的应用。

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普通金刚石

2、六方金刚石:更坚固的“六边形战士”

六方金刚石(又称“蓝丝黛尔石”)是一种比普通金刚石更稳定的碳结构,其碳原子排列方式类似于六边形密堆积,具有更高的**对称性和更强的键合方式**。研究发现,六方金刚石的硬度比普通金刚石更高,且具备更优异的**韧性、导热性和光学性能**。此外,六方金刚石在陨石中偶有发现,证明其可在极端自然条件下形成,但人工合成高纯度六方金刚石一直是世界性难题。

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六方金刚石

金刚石:航空航天领域的新晋明星

在航空航天领域,金刚石以其超凡的物理与化学特质,构筑起一道坚实的技术屏障。其近乎极致的硬度,如同为设备披上了一层无形的铠甲,能在陨石撞击、沙尘侵蚀等严苛环境中抵御磨损与划伤,成为制造精密工具、高强度切割设备及防护涂层的核心材料。

而其热传导能力,可快速导出仪器运行时产生的大量热量,为高精度设备筑起温度稳定的 “防护墙”。加之金刚石极强的化学稳定性,在太空辐射、极端温差及腐蚀性气体环绕的环境中,仍能保持自身结构与性能的稳定,展现出惊人的抗腐蚀能力。正是这些多重优势的叠加,让金刚石在航空航天领域成为不可替代的关键材料。

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六方金刚石

航空发动机:金刚石兼具耐磨与高导热性,作为热沉材料可高效散热,显著提升发动机的冷却效率,确保其在极端工况下的稳定运行。

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卫星与探测器:金刚石涂层可抵御太空粒子撞击,同时其优异导热性能平衡舱内温差,保障设备在严苛环境中的正常工作。

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高超音速飞行器:金刚石耐高温、抗冲击,适用于鼻锥和机翼前缘,能在数千摄氏度下保持结构稳定,支撑高速飞行。 

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航空航天部件:金刚石增强的结构件、轴承和密封件大幅提升耐用性,推动设备整体性能升级。

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金刚石激光器:输出高功率、高稳定激光,助力精密加工、通信及探测系统,提升任务精度。 

我国科学家合成金刚石里的 “六边形战士”,引领超硬材料新突破

金刚石窗口:透光性好、耐高压且热稳定性佳,适用于红外成像、激光通信及空间望远镜,确保光学系统可靠运行。

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金刚石衬底:高导热绝缘特性可简化电子设备散热设计,实现轻量化,增强极端环境下的可靠性。  

我国科学家合成金刚石里的 “六边形战士”,引领超硬材料新突破

金刚石刀具:超高硬度可精密加工钛合金等难切削材料,保障零部件尺寸与表面质量,满足航空装配的高标准要求。

我国科学家合成金刚石里的 “六边形战士”,引领超硬材料新突破

中国科学家在六方金刚石合成上的突破,不仅解决了长期困扰材料学界的难题,更为未来的科技发展提供了无限可能。从航空航天到量子计算,从超硬工具到核能探测,六方金刚石的“六边形战士”属性将助力人类挑战更极端的工程与科学任务。这一成就再次证明,中国正在从“材料大国”迈向“材料强国”,为全球科技进步贡献我们的力量。

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关键词: 金刚石

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