《自然·通訊》發(fā)表西安交大材料學(xué)院研究成果：百納米級(jí)金剛石顆粒自驅(qū)動(dòng)進(jìn)入鋼鐵晶體

近日，西安交通大學(xué)材料學(xué)院?jiǎn)沃莻ソ淌趫F(tuán)隊(duì)與材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)中心團(tuán)隊(duì)合作，研究發(fā)現(xiàn)數(shù)十、甚至百納米級(jí)別的金剛石顆粒可以在遠(yuǎn)低于鋼鐵熔點(diǎn)的溫度下，以顆粒而非單個(gè)原子的形式，自驅(qū)動(dòng)地進(jìn)入鋼鐵晶體內(nèi)部并且持續(xù)向內(nèi)“行走”，最大行程可達(dá)數(shù)毫米且主體部分始終保持金剛石晶體結(jié)構(gòu)。關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)及其背后的物理機(jī)制的文章，以《納米金剛石顆粒在鐵晶體內(nèi)部中的運(yùn)動(dòng)》（“inward motion of diamond nanoparticles inside an iron crystal”）為題發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。

西安交通大學(xué)為該工作的第一作者單位和唯一通訊單位，西安交通大學(xué)王悅存副教授、王旭東博士、丁俊教授為共同第一作者；西安交通大學(xué)單智偉教授和馬恩教授為本文通訊作者；為該研究作出重要貢獻(xiàn)的還有美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授、西安交通大學(xué)張偉教授、沈陽(yáng)理工大學(xué)段占強(qiáng)教授、賈春德教授和西安交通大學(xué)的梁倍銘碩士、黃龍超博士，范傳偉工程師及博士研究生徐偉、劉章、鄭芮，碩士研究生左玲玲等。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、西安交大青年拔尖人才計(jì)劃、西安交通大學(xué)王寬誠(chéng)青年學(xué)者等項(xiàng)目的支持。

鋼鐵滲碳的歷史可以追溯到兩千年多年前，其主要過(guò)程是：外界碳源（固/液/氣）在高溫下分解為活性碳原子并逐漸滲入進(jìn)鋼鐵，從而使低碳鋼工件擁有高碳表面，再經(jīng)淬火、回火處理，獲得高硬度、高耐磨的表面。傳統(tǒng)認(rèn)知中，滲碳所用的碳源必須要先分解成活性碳原子，然后才能在濃度梯度驅(qū)動(dòng)下，以單個(gè)原子的形式擴(kuò)散進(jìn)入鐵晶格并間隙固溶其中，過(guò)飽和后以碳化物或石墨的形式析出。然而，進(jìn)入的碳無(wú)法以最理想的強(qiáng)化相——金剛石出現(xiàn)。由此引發(fā)了一個(gè)科學(xué)上的創(chuàng)新思考：金剛石小顆粒有沒有可能整體進(jìn)入鋼鐵晶體中，并且保留金剛石結(jié)構(gòu)。

為驗(yàn)證這一大膽設(shè)想，研究團(tuán)隊(duì)以金剛石納米顆粒和高純鐵及低碳鋼為對(duì)象（圖1a, b），利用原位透射電子顯微鏡對(duì)加熱過(guò)程中金剛石納米顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察：當(dāng)表面附著有金剛石顆粒的鋼鐵被加熱到一定溫度后，其表面氧化膜首先發(fā)生分解，暴露出新鮮的鐵原子。然后這些鐵原子迅速向上擴(kuò)散覆蓋金剛石顆粒的表面，金剛石顆粒在毛細(xì)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下被快速“吞沒”進(jìn)鋼鐵基底中。冷卻至室溫后觀察發(fā)現(xiàn)：金剛石顆粒不僅能夠大量進(jìn)入到鋼鐵內(nèi)部（圖1c），并且沉入深度可達(dá)到納米金剛石顆粒自身尺寸的數(shù)千倍以上（毫米級(jí)）。圖1d示意了整個(gè)進(jìn)入過(guò)程。結(jié)合第一性原理計(jì)算、蒙特卡洛模擬及多維度表征，進(jìn)一步揭示了納米金剛石顆粒在鋼鐵晶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)制：在鐵的催化作用下，金剛石顆粒表面發(fā)生石墨化并部分溶解，在鋼鐵基底中及納米金剛石顆粒周圍分別形成長(zhǎng)程和局部的碳濃度暨化學(xué)勢(shì)梯度。在與此伴生的鐵化學(xué)勢(shì)梯度驅(qū)動(dòng)下，金剛石周圍的鐵沿著金剛石和鐵基底的界面不斷上涌并形成一個(gè)向下局部應(yīng)力，“推動(dòng)”著金剛石向下前進(jìn)。鐵原子在金剛石顆粒表面的石墨層內(nèi)的界面擴(kuò)散，恰好為其遠(yuǎn)程遷移提供了快速通道（鐵原子沿此通道向上遷移的速率得以高于鐵晶格中碳原子向下運(yùn)動(dòng)的速率）。

圖1 （a）研究中所用的納米金剛石粉的透射電鏡表征；（b）納米金剛石顆粒進(jìn)入純鐵基底中的原位掃描觀察；（c）納米金剛石顆粒在鐵內(nèi)部的透射表征；（d）納米金剛石自驅(qū)動(dòng)進(jìn)入鋼鐵基底的全過(guò)程及原理示意。

由于納米金剛石具有超高強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性與低熱膨脹系數(shù)、低摩擦系數(shù)、超高等特點(diǎn)，是一種理想的金屬?gòu)?qiáng)化粒子?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，將納米金剛石滲入進(jìn)鋼鐵材料中，形成鋼鐵和金剛石的梯度復(fù)合材料，有可能大幅改善鋼鐵的表面性能，如硬度、導(dǎo)熱性和耐磨性等。中國(guó)是最大的人造金剛石制造國(guó)，生產(chǎn)了世界上90%以上的人造金剛石，其中作為副產(chǎn)品的納米金剛石粉的價(jià)格僅為~2000元/公斤。初步估算顯示1公斤納米金剛石粉能處理10噸的鋼材（形成mm級(jí)的硬化層）。中國(guó)的鋼鐵年產(chǎn)量超過(guò)10億噸，占世界總產(chǎn)量的一半以上，同時(shí)，中國(guó)也是鋼鐵的最大使用國(guó)，應(yīng)用需求非常旺盛。該研究為鋼鐵材料的表面強(qiáng)化提供了新的思路和方法。

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