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2022/12/16

必赢登录下载在高性能非晶碳/纳米金刚石自生复合材料研究中取得重要进展

亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 张春祥 科学技术研究院 王丽芳

【新闻中心讯】近日,必赢登录下载亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室高压科学中心田永君院士、赵智胜教授与清华大学李晓雁教授、丹麦奥尔堡大学岳远征教授等国内外学者合作,通过调控玻璃碳在高温高压下的相变合成出超硬、超强、导电的非晶碳/纳米金刚石自生复合材料,并阐明了非晶碳到金刚石的直接相变机制。研究成果以“超强导电的由非共格嵌入无序多层石墨烯中的纳米金刚石组成的自生复合材料”(Ultrastrong conductive in situ composite composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multilayer graphene)为题,于2022年12月15日在线发表于《自然•材料》(Nature Materials)上,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-022-01425-9。

碳的独特之处在于它可以形成性能迥异的同素异形体,例如石墨、金刚石、石墨烯、富勒烯、碳纳米管、非晶碳等。寻找新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题。近年来,必赢登录下载团队系统研究了多种碳同素异形体在高温高压下的相变过程,发现了相变新机制,实现了碳的相结构以及微观组织的精细调控,发展出了极硬高韧的纳米孪晶金刚石及其复合材料(最硬材料)、超硬半导体非晶碳(最硬非晶AM-III)、具有奇特电学特性的超硬高韧石墨-金刚石杂交碳(Gradia)等新型和高性能碳材料。

在本工作中,研究团队以玻璃碳为原料在高压窄温区条件下合成了一种新型碳/碳复合材料—非晶碳/纳米金刚石自生复合材料。在该材料中,平均粒径为4.8 nm的超细纳米晶金刚石均匀嵌在无序弯曲的多层石墨烯基体中,两者之间的非共格界面主要由随机结合的sp2sp3键构成(图1a)。这种独特的显微组织和界面结构表明非晶碳向金刚石的转变是通过纳米金刚石的成核和生长来实现的,符合经典的成核生长理论。该复合材料的非共格界面与石墨/金刚石相变形成的共格界面完全不同,非晶碳向金刚石的相变机制也迥异于石墨向金刚石的相变机制。

这种碳/碳复合材料在碳材料家族中具有独特的力学性能和电学特性组合:努氏硬度高达53 GPa,超过立方氮化硼,与金刚石(111)面硬度相当(图1b);其微米柱的压缩强度高达54 GPa,可媲美单晶金刚石;室温电导率高达670-1240 S/m,可进行电火花加工。该材料具有钻石般的硬度/强度以及石墨般的导电性,是目前最硬、最强、导电的碳/碳复合材料,具有重要的应用前景,如用作微/纳米力学领域中的导电超强压头、高性能导电超强模具、耐磨自润滑轴承和防静电基板和组件等。

该研究通过精细控制非晶碳相变过程,利用亚稳态至亚稳态相变,截获了新型亚稳碳材料—导电超硬非晶碳/纳米金刚石自生复合材料,阐明了非晶碳到晶态金刚石的相变机制,为开发由两个或多个同素异形体组成的新型复合碳材料提供了新思路。

Nature Materials编辑团队评价:“这种自生复合材料展示了力学性能和电学性能的独特组合。它不仅填补了碳材料合成未被探索的区域,还给出了非晶碳到金刚石相变的根本性见解”。该工作得到国家自然科学基金(52288102、52090020、91963203、91963117等)和国家重点研发计划(2018YFA0703400、2018YFA0305900)等项目的资助。研究成果已申请中国、美国、日本、欧洲发明专利。论文的共同第一作者为李子鹤、王宇嘉、马梦冬、马华春和胡文涛,通讯作者为赵智胜、岳远征、田永君和李晓雁。(编辑 褚玉晶)

图1a非晶碳/纳米金刚石自生复合材料的显微组织和界面结构;b与其他材料的硬度和导电性对比。