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燕山大学和南开大学等单位合作研发石墨-金刚石新型复合碳材料
2022年08月05日 发布 分类:技术前沿 点击量:43
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日前,燕山大学和南开大学等单位合作,使用高压合成技术,解决了长久以来石墨金刚石的相变路径争议,并制备出新型的石墨-金刚石复合材料,这种新材料材料兼具石墨的导电性和金刚石的高硬度,同时也具有石墨和金刚石都不具备的韧性,为碳材料家族新添了一个新成员,工作发表在《自然》杂志上[Nature 607 486–491(2022)]。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04863-2

观测到的石墨-金刚石复合结构

观测到的石墨-金刚石复合结构

研究团队在静高压下部分相变的石墨样品中首次截留并确定了石墨和金刚石之间的共格界面结构,进而阐明了静高压下石墨/金刚石相变机理:石墨层通过局域的石墨层sp2-sp3相变过程,形成特定的石墨-金刚石共格结构,进一步以其中的金刚石部分为种子,通过共格界面在石墨层中生长,进而完成石墨-金刚石的相变,这种过程中,因为石墨和金刚石的结构基元组合存在稳定性相近的不同组合,因此在纳米尺度上具有丰富的结构多样性,而这种共格纳米结构的多样性,进一步导致了金刚石相变区丰富的纳米结构,如层错、孪晶、金刚石多型体等,为进一步设计石墨-金刚石纳米结构,提供了思路和可行方法。

观测得到的石墨-金刚石复合结构被命名为Gradia,具有优异的力学性能和电学特性:努氏硬度在51-115 GPa之间;室温电阻率在8×10-4-4.9×105Ω·m之间可调;断裂韧性很高,无法采用常规压痕方法进行测量,说明gradia通过界面结合,具备了石墨和金刚石都不具备的韧性。最为重要的是这些优异的性能可以通过调控石墨-金刚石的不同大小、比例和不同类型的界面结构进行调控,是实现兼具导电、超硬、极韧等优越性能,新一代可设计控制的高性能碳材料。


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