中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高壓科學(xué)中心田永君院士、趙智勝教授與清華大學(xué)李曉雁教授、丹麥奧爾堡大學(xué)岳遠(yuǎn)征教授等國(guó)內(nèi)外學(xué)者合作，通過(guò)調(diào)控玻璃碳在高溫高壓下的相變合成出超硬、超強(qiáng)、導(dǎo)電的非晶碳/納米金剛石自生復(fù)合材料，并闡明了非晶碳到金剛石的直接相變機(jī)制。研究成果以“超強(qiáng)導(dǎo)電的由非共格嵌入無(wú)序多層石墨烯中的納米金剛石組成的自生復(fù)合材料”(Ultrastrong conductive in situ composite composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multilayer graphene)為題，于2022年12月15日在線(xiàn)發(fā)表于《自然•材料》（Nature Materials）上，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01425-9。
碳的獨(dú)特之處在于它可以形成性能迥異的同素異形體，例如石墨、金剛石、石墨烯、富勒烯、碳納米管、非晶碳等。尋找新型碳材料一直是材料領(lǐng)域的前沿科學(xué)問(wèn)題。近年來(lái)，燕山大學(xué)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了多種碳同素異形體在高溫高壓下的相變過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了相變新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了碳的相結(jié)構(gòu)以及微觀組織的精細(xì)調(diào)控，發(fā)展出了極硬高韌的納米孿晶金剛石及其復(fù)合材料（最硬材料）、超硬半導(dǎo)體非晶碳（最硬非晶AM-III）、具有奇特電學(xué)特性的超硬高韌石墨-金剛石雜交碳（Gradia）等新型和高性能碳材料。
在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)以玻璃碳為原料在高壓窄溫區(qū)條件下合成了一種新型碳/碳復(fù)合材料—非晶碳/納米金剛石自生復(fù)合材料。在該材料中，平均粒徑為4.8 nm的超細(xì)納米晶金剛石均勻嵌在無(wú)序彎曲的多層石墨烯基體中，兩者之間的非共格界面主要由隨機(jī)結(jié)合的sp2或sp3鍵構(gòu)成（圖1a）。這種獨(dú)特的顯微組織和界面結(jié)構(gòu)表明非晶碳向金剛石的轉(zhuǎn)變是通過(guò)納米金剛石的成核和生長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，符合經(jīng)典的成核生長(zhǎng)理論。該復(fù)合材料的非共格界面與石墨/金剛石相變形成的共格界面完全不同，非晶碳向金剛石的相變機(jī)制也迥異于石墨向金剛石的相變機(jī)制。
這種碳/碳復(fù)合材料在碳材料家族中具有獨(dú)特的力學(xué)性能和電學(xué)特性組合：努氏硬度高達(dá)53 GPa，超過(guò)立方氮化硼，與金剛石(111)面硬度相當(dāng)（圖1b）；其微米柱的壓縮強(qiáng)度高達(dá)54 GPa，可媲美單晶金剛石；室溫電導(dǎo)率高達(dá)670-1240 S/m，可進(jìn)行電火花加工。該材料具有鉆石般的硬度/強(qiáng)度以及石墨般的導(dǎo)電性，是目前最硬、最強(qiáng)、導(dǎo)電的碳/碳復(fù)合材料，具有重要的應(yīng)用前景，如用作微/納米力學(xué)領(lǐng)域中的導(dǎo)電超強(qiáng)壓頭、高性能導(dǎo)電超強(qiáng)模具、耐磨自潤(rùn)滑軸承和防靜電基板和組件等。
該研究通過(guò)精細(xì)控制非晶碳相變過(guò)程，利用亞穩(wěn)態(tài)至亞穩(wěn)態(tài)相變，截獲了新型亞穩(wěn)碳材料—導(dǎo)電超硬非晶碳/納米金剛石自生復(fù)合材料，闡明了非晶碳到晶態(tài)金剛石的相變機(jī)制，為開(kāi)發(fā)由兩個(gè)或多個(gè)同素異形體組成的新型復(fù)合碳材料提供了新思路。
Nature Materials編輯團(tuán)隊(duì)評(píng)價(jià)：“這種自生復(fù)合材料展示了力學(xué)性能和電學(xué)性能的獨(dú)特組合。它不僅填補(bǔ)了碳材料合成未被探索的區(qū)域，還給出了非晶碳到金剛石相變的根本性見(jiàn)解”。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（52288102、52090020、91963203、91963117等)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0703400、2018YFA0305900）等項(xiàng)目的資助。研究成果已申請(qǐng)中國(guó)、美國(guó)、日本、歐洲發(fā)明專(zhuān)利。論文的共同第一作者為李子鶴、王宇嘉、馬夢(mèng)冬、馬華春和胡文濤，通訊作者為趙智勝、岳遠(yuǎn)征、田永君和李曉雁。
圖1a非晶碳/納米金剛石自生復(fù)合材料的顯微組織和界面結(jié)構(gòu)；b與其他材料的硬度和導(dǎo)電性對(duì)比
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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