近日，西安交通大學(xué)材料學(xué)院?jiǎn)沃莻ソ淌趫F隊與材料創(chuàng )新設計中心團隊合作，研究發(fā)現數十、甚至百納米級別的金剛石顆�？梢栽谶h低于鋼鐵熔點(diǎn)的溫度下，以顆粒而非單個(gè)原子的形式，自驅動(dòng)地進(jìn)入鋼鐵晶體內部并且持續向內“行走”，*大行程可達數毫米且主體部分始終保持金剛石晶體結構。關(guān)于這一發(fā)現及其背后的物理機制的文章，以《納米金剛石顆粒在鐵晶體內部中的運動(dòng)》（“Inwardmotionofdiamondnanoparticlesinsideanironcrystal”）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*作者單位和*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*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的還有美國麻省理工學(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。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、西安交大青年拔尖人才計劃、西安交通大學(xué)王寬誠青年學(xué)者等項目的支持。

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。傳統認知中，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動(dòng)下，以單個(gè)原子的形式擴散進(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*理想的強化相——金剛石出現。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(méi)有可能整體進(jìn)入鋼鐵晶體中，并且保留金剛石結構。

為驗證這一大膽設想，研究團隊以金剛石納米顆粒和高純鐵及低碳鋼為對象（圖1a,b），利用原位透射電子顯微鏡對加熱過(guò)程中金剛石納米顆粒的運動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)察：當表面附著(zhù)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散覆蓋金剛石顆粒的表面，金剛石顆粒在毛細應力驅動(dòng)下被快速“吞沒(méi)”進(jìn)鋼鐵基底中。冷卻至室溫后觀(guān)察發(fā)現：金剛石顆粒不僅能夠大量進(jìn)入到鋼鐵內部（圖1c），并且沉入深度可達到納米金剛石顆粒自身尺寸的數千倍以上（毫米級）。圖1d示意了整個(gè)進(jìn)入過(guò)程。結合*性原理計算、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部運動(dòng)的微觀(guān)機制：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?chē)�分別形成長(cháng)程和局部的碳濃度暨化學(xué)勢梯度。在與此伴生的鐵化學(xué)勢梯度驅動(dòng)下，金剛石周?chē)�的鐵沿著(zhù)金剛石和鐵基底的界面不斷上涌并形成一個(gè)向下局部應力，“推動(dòng)”著(zhù)金剛石向下前進(jìn)。鐵原子在金剛石顆粒表面的石墨層內的界面擴散，恰好為其遠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(guān)察；（c）納米金剛石顆粒在鐵內部的透射表征；（d）納米金剛石自驅動(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度、熱導率、化學(xué)穩定性與低熱膨脹系數、低摩擦系數、超高等特點(diǎn)，是一種理想的金屬強化粒子�；�于上述發(fā)現，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合材料，有可能大幅改善鋼鐵的表面性能，如硬度、導熱性和耐磨性等。中國是*大的人造金剛石制造國，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級的硬化層）。中國的鋼鐵年產(chǎn)量超過(guò)10億噸，占世界總產(chǎn)量的一半以上，同時(shí)，中國也是鋼鐵的*大使用國，應用需求非常旺盛。該研究為鋼鐵材料的表面強化提供了新的思路和方法。