近日，合肥工业大学机械工程学院赵昌方副教授联合材料科学与工程学院罗来马教授团队，在Journal of Alloys and Compounds (JCR Q1，IF=6.7) 发表陶瓷-金刚石复合材料相关的研究论文。该工作设计了Co₆₀Ni₄₀-Si₃N₄新型结合剂，在高温高压条件下制备了80%金刚石含量的复合材料，系统揭示了Si₃N₄陶瓷颗粒对复合材料残余应力分布与横向断裂强度的调控机制。研究发现，添加5 vol% Si₃N₄的复合材料TRS达到542±6 MPa，较纯Co结合剂复合材料(343±21 MPa)提升了58.0%；同时，Si₃N₄的引入使复合材料冷却过程中的平均残余应力降低约18%。

金刚石复合材料因其极高的硬度和导热性，在工业刀具、钻探工具等领域具有不可替代的地位。然而，金刚石本身的高脆性以及金属结合剂(如Co)与金刚石之间巨大的热膨胀系数差异(Co约12.5×10⁻⁶/K，金刚石约1.0×10⁻⁶/K)，导致复合材料在制备和服役过程中产生显著的热残余应力，裂纹倾向于沿金刚石-金属界面萌生扩展，严重制约了材料的使用寿命。传统解决方案如化学蚀刻去除金属结合剂，虽可降低应力，却牺牲了金刚石骨架的韧性。如何在保持金刚石骨架完整性的同时有效调控残余应力，成为该领域的关键难题。

图1  复合材料中残余应力仿真结果

针对这一问题，研究团队创新性地将低热膨胀系数(2.8–3.2×10⁻⁶/K)的α-Si₃N₄陶瓷颗粒引入Co₆₀Ni₄₀合金结合剂中，利用CoNi合金良好的催化能力促进金刚石烧结，同时借助陶瓷颗粒的低膨胀特性缓解应力集中。研究通过SEM、TEM、XRD、拉曼光谱及有限元模拟相结合的方法，系统表征了复合材料的微观结构、界面结合状态、残余应力分布与力学性能。研究取得了以下核心发现：

Ø Si₃N₄陶瓷颗粒与合金结合剂结合良好；

Ø 5 vol% Si₃N₄添加量实现强度最优；

Ø 残余应力调控机制得到定量揭示；

Ø 应力降低与应力集中缓解共同贡献强度提升。

该研究传递出一个清晰的材料设计理念：在金属结合剂中引入低热膨胀系数的陶瓷相，是调控金刚石复合材料残余应力、提升力学性能的有效途径。Si₃N₄的添加量需控制在适宜范围内——过少则应力调控效果有限，过多则损害金刚石骨架的烧结完整性。这一策略为开发高性能金刚石工具提供了新思路，也可推广至其他金属-金刚石、金属-陶瓷复合体系的应力调控设计。未来可进一步探索陶瓷相种类、粒径与分布形态的优化组合，以及界面工程对残余应力与断裂韧性协同调控的潜力。

合肥工业大学材料科学与工程学院邱天旭为论文的第一作者，材料科学与工程学院罗来马、谭福盛及机械工程学院赵昌方为论文的共同通讯作者，合作者还包括合肥工业大学材料科学与工程学院的YY Wang。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金安徽联合资助项目、安徽省博士后科研资助计划及安徽省重点科技项目等项目的共同资助。

文章标题：Regulating the residual stresses and mechanical properties of diamond composites by introducing Si₃N₄ ceramic phases

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.189870