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金刚石与立方氮化硼(cubic boron nitride,cBN)作为最重要的两种超硬材料在上世纪中叶相继实现了人工合成。采用这两种超硬材料制造的各类工具在工业上得到了广泛的应用。近年来,人们通过细晶强化和孪晶强化等结构调控手段来提高这两类材料的力学性能。研究发现,当晶粒尺寸低至10 nm左右,由于反霍尔-佩奇效应,细晶强化受到了限制。而孪晶强化则由于霍尔-佩奇效应和量子限域效应的协同作用,随着平均孪晶厚度的降低,纳米孪晶结构的金刚石和cBN的硬度、韧性和热稳定性得到了全面提升。如何进一步细化孪晶从而合成性能更优异的金刚石,这一问题尚需深入研究。此外,cBN和金刚石粉体材料也一直吸引着人们的研究兴趣,如何有效制备孪晶结构的cBN和金刚石粉体也是超硬粉体材料研究的一个重要课题。本文对孪晶结构cBN和金刚石纳米粉体的合成、纳米孪晶金刚石块材的孪晶细化开展研究。将洋葱碳纳米颗粒放入溶有氯化钾(KCl)的甲醇溶液中,通过超声和磁力搅拌处理,制备KCl包覆的洋葱碳纳米颗粒作为前驱体。通过调控前驱体中洋葱碳和KCl的比例,可以有效地改变高温高压实验合成产物的形态,包括多孔金刚石、亚微米金刚石粉体和纳米金刚石粉体。在合成的金刚石晶粒内部存在着大量的孪晶组织,平均孪晶厚度约为5 nm。微观结构分析表明纳米孪晶结构在合成的金刚石纳米粉体的所有颗粒中是普遍存在的。使用高速离心机分离出不同粒径的洋葱碳粉体作为反应前驱体,在25 GPa和2100°C的高温高压条件下分别合成样品并表征其结构与力学性能。微观结构分析表明平均粒径为46 nm、38 nm、28 nm和22 nm的洋葱碳前驱体合成样品中的平均孪晶厚度分别为5.2 nm、4.3 nm、2.3 nm和2.4 nm。这说明选用更小粒径的洋葱碳可以进一步细化合成金刚石块材中的孪晶尺寸。力学性能测试表明孪晶厚度越小的样品硬度越高,其中孪晶厚度约为2 nm的样品在4.9 N载荷下测试得到的硬度值达到了270 GPa。不同孪晶厚度样品测得的硬度值均吻合多晶共价材料硬度模型关于孪晶尺寸与硬度的推算公式。我们还分析了不同金刚石样品(单晶、纳米晶块材、纳米孪晶块材)的力学性能。对单晶金刚石(110)晶面、纳米晶金刚石块材、纳米孪晶金刚石块材进行了显微维氏硬度测试,并使用光学显微镜与扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)仔细表征了压痕(压痕大小、裂纹长度等)。三个样品在4.9 N载荷下的硬度分别为80 GPa、130 GPa和200 GPa,与前人的报导基本一致。研究表明纳米孪晶金刚石和纳米晶金刚石比单晶金刚石更韧,而纳米孪晶金刚石比单晶金刚石和纳米晶金刚石更硬。与孪晶结构金刚石纳米粉体的合成路径类似,以洋葱结构氮化硼(onion structured boron nitride,oBN)纳米颗粒为原料,在15 GPa和1800°C的高温高压条件下合成了孪晶结构的cBN纳米粉体。前驱体中oBN纳米颗粒表面的KCl有效阻止了颗粒在相变过程中的生长融合,合成产物经蒸馏水水洗后得到了分散的纳米粉体,成分分析表明其为cBN。显微结构分析表明合成的cBN纳米粉体内部含有大量的纳米孪晶结构,平均孪晶厚度约为5 nm。