Chinesische Wissenschaftler erschaffen „unzerbrechlichen“ Diamanten – sechsmal robuster als Wolframlegierungen

Wissenschaftler des Instituts für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Universität Beihang und anderer Forschungszentren haben erfolgreich ein dreidimensionales Netzwerk aus mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) in eine polykristalline Diamantmatrix eingebettet. Der resultierende Verbundwerkstoff behält eine Vickershärte von bis zu 91,6 GPa bei, vergleichbar mit Einkristalldiamant, während er eine durchschnittliche Bruchzähigkeit von 31,9 MPa·m1/2 und einen maximal gemessenen Wert von 36,4 MPa·m1/2 erreicht – etwa fünf- bis sechsmal höher als bei typischem Einkristalldiamant und deutlich über der Bruchzähigkeit mehrerer Wolframlegierungen. Die Forscher verwendeten Diamantpulver mit Korngrößen von 0,8–1,3 μm und MWCNTs mit einem Außendurchmesser von 10–20 nm, einem Innendurchmesser von 5–10 nm und einer Länge von 10–20 μm. Das endgültige Sintern erfolgte bei 15 GPa und etwa 2000 °C, wodurch zylindrische Proben mit einem Durchmesser von etwa 3 mm und einer Dicke von 2 mm entstanden. Die überlebenden Nanoröhren nahmen volumetrisch nur etwa 0,35 % ein, bildeten jedoch ein durchgehendes Netzwerk zwischen den Diamantkörnern und wirkten wie Verstärkungsfasern. Unter hohem Druck wandelten sich einige Nanoröhren teilweise in Diamant um und gingen kovalente Bindungen mit der Matrix ein. Wenn Risse entstehen, werden sie gezwungen, umzulenken, sich zu verzweigen und die Richtung zu ändern, wobei mehr Energie verbraucht wird; Nanoröhren werden herausgezogen und bilden Brücken zwischen den sich trennenden Körnern. Diese Kombination aus diamantähnlicher Härte und hoher Rissbeständigkeit macht das Material vielversprechend für verschleißfeste Schneidwerkzeuge, superharte Keramiken und Teile, die hohen Drücken und Stoßbelastungen ausgesetzt sind, wie sie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt vorkommen.