维氏硬度大于40 GPa的材料被定义为超硬材料。金刚石是天然存在最硬的材料,具有高维氏硬度,良好的不可压缩性和耐磨性等优异性能,但其易沿111解理面断裂,抗压强度较弱,韧性较低,在很大程度上限制了其应用。添加金属催化剂合成的金刚石虽然韧性得到一定的改善,但是极大的降低了金刚石的硬度。如何调控金刚石结构材料的力学性质,合成出具有较高硬度或断裂韧性的材料,并揭示材料微观结构与其力学性能之间的关系一直是超硬材料研究领域的重要课题。本文利用高温高压技术手段,以富勒烯、石墨烯等纳米碳与纳米金刚石粉均匀混合物作为前驱体,通过改变前驱物中各成分的摩尔比例,获得了具有不同微结构的超硬材料,研究了微结构变化及其对超硬块材力学性能的影响,得到以下结论:1.利用高温高压技术烧结了无添加,以及分别添加2%,5%,20%摩尔比富勒烯的纳米金刚石粉(平均直径30 nm)混合物,利用XRD、Raman、TEM等对样品进行表征,发现高温高压下无添加金刚石纳米粉直接烧结的块材中金刚石纳米晶出现了明显的晶粒细化、缺陷增加等现象,而当添加富勒烯烧结时,没有发现显著的晶粒长大或细化,金刚石纳米晶基本仍可保持初始的尺寸。进一步研究发现,富勒烯的添加量可以明显调节其硬度,适当添加时材料的硬度可达约120GPa,比无添加的块材有60%以上的提高。利用TEM对样品进行微观结构研究,所有样品中均出现了堆叠层错、扭曲的晶格结构,研究发现在纯金刚石烧结的样品中存在“碎化”的金刚石填充在金刚石颗粒之间,而在富勒烯添加的金刚石样品中部分晶粒界面间则形成了无定型碳,由于部分富勒烯会在高温高压条件下转变为无定型碳边界,从而起到粘连金刚石颗粒的作用,EELS测试表明边界区域的碳具有sp~3杂化特征。分别测试样品的韧性与硬度,发现添加富勒烯的样品的断裂韧性与商用金属添加剂的金刚石聚晶相当,而其硬度可以通过改变纳米晶的边界进行适当的调控。2.研究发现,当添加石墨烯时(2%和5%摩尔比),样品晶粒有长大现象,金刚石结晶性明显提高,这可能是石墨烯中的残留基团在高温高压条件下具有催化晶粒长大的作用,也可能是样品中渗透的少量氧化铝具有催化作用(但在聚晶金刚石内部未发现氧/铝的存在)。在该条件合成的金刚石聚晶材料中部分晶粒中也存在堆叠层错、晶格扭曲的现象,部分晶粒边界间也出现了无定型碳,起到粘接金刚石晶粒的作用,对边界区域的EELS测试发现,边界碳为sp~2与sp~3共存的成键状态。分别测试样品的硬度值与韧性值,发现添加石墨烯的样品硬度值相比于无添加直接烧结的金刚石聚晶略有提高,但是断裂韧性却得到了显著的提高,提高50%-60%左右。添加石墨烯的样品具有sp~2与sp~3共存的杂化无定型碳边界结构,这种结构可能是样品断裂韧性提高的主要原因。3.通过对比研究发现,相比无添加合成出的金刚石块材,高温高压下富勒烯的添加可以显著减少金刚石纳米晶细化/非晶化,富勒烯在高温高压下对金刚石受到的应力应变可能起到了一定的“缓冲作用”,部分富勒烯转变为少量的无定型碳边界,从而提高了合成块材的硬度。但是随着添加比例增多,非晶边界变宽或变多导致材料力学性能降低,硬度减小;而石墨烯的添加使得样品的晶粒长大,其边界密度减少,并且在部分晶粒边界形成sp~2与sp~3杂化共存的无定型碳边界结构,虽然降低了样品的硬度,但提高了金刚石聚晶材料的断裂韧性。这些结果表明,高温高压下纳米碳的添加可以达到调控纳米金刚石聚晶材料中的边界和晶粒的目的,进而改善其力学性能。