中國粉體網訊 近日，燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室高壓科學中心田永君院士、趙智勝教授與清華大學李曉雁教授、丹麥奧爾堡大學岳遠征教授等國內外學者合作，通過調控玻璃碳在高溫高壓下的相變合成出超硬、超強、導電的非晶碳/納米金剛石自生復合材料，并闡明了非晶碳到金剛石的直接相變機制。研究成果以“超強導電的由非共格嵌入無序多層石墨烯中的納米金剛石組成的自生復合材料”(Ultrastrong conductive in situ composite composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multilayer graphene)為題，于2022年12月15日在線發表于《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域的前沿科學問題。近年來，燕山大學團隊系統研究了多種碳同素異形體在高溫高壓下的相變過程，發現了相變新機制，實現了碳的相結構以及微觀組織的精細調控，發展出了極硬高韌的納米孿晶金剛石及其復合材料（最硬材料）、超硬半導體非晶碳（最硬非晶AM-III）、具有奇特電學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，研究團隊以玻璃碳為原料在高壓窄溫區條件下合成了一種新型碳/碳復合材料—非晶碳/納米金剛石自生復合材料。在該材料中，平均粒徑為4.8 nm的超細納米晶金剛石均勻嵌在無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結合的sp2或sp3鍵構成（圖1a）。這種獨特的顯微組織和界面結構表明非晶碳向金剛石的轉變是通過納米金剛石的成核和生長來實現的，符合經典的成核生長理論。該復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制也迥異于石墨向金剛石的相變機制。
這種碳/碳復合材料在碳材料家族中具有獨特的力學性能和電學特性組合：努氏硬度高達53 GPa，超過立方氮化硼，與金剛石(111)面硬度相當（圖1b）；其微米柱的壓縮強度高達54 GPa，可媲美單晶金剛石；室溫電導率高達670-1240 S/m，可進行電火花加工。該材料具有鉆石般的硬度/強度以及石墨般的導電性，是目前最硬、最強、導電的碳/碳復合材料，具有重要的應用前景，如用作微/納米力學領域中的導電超強壓頭、高性能導電超強模具、耐磨自潤滑軸承和防靜電基板和組件等。
該研究通過精細控制非晶碳相變過程，利用亞穩態至亞穩態相變，截獲了新型亞穩碳材料—導電超硬非晶碳/納米金剛石自生復合材料，闡明了非晶碳到晶態金剛石的相變機制，為開發由兩個或多個同素異形體組成的新型復合碳材料提供了新思路。
Nature Materials編輯團隊評價：“這種自生復合材料展示了力學性能和電學性能的獨特組合。它不僅填補了碳材料合成未被探索的區域，還給出了非晶碳到金剛石相變的根本性見解”。該工作得到國家自然科學基金（52288102、52090020、91963203、91963117等)和國家重點研發計劃（2018YFA0703400、2018YFA0305900）等項目的資助。研究成果已申請中國、美國、日本、歐洲發明專利。論文的共同第一作者為李子鶴、王宇嘉、馬夢冬、馬華春和胡文濤，通訊作者為趙智勝、岳遠征、田永君和李曉雁。
圖1a非晶碳/納米金剛石自生復合材料的顯微組織和界面結構；b與其他材料的硬度和導電性對比
（中國粉體網編輯整理/山川）
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