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燕山大學(xué)在碳材料研究中取得重要進展

2017-07-04 10:08:10 作者：本網(wǎng)發(fā)布來源：國家自然科學(xué)基金委員會分享至：

在國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：51672238，51421091，51525205，51332005，51272227）等資助下，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室田永君課題組的趙智勝教授等人與國內(nèi)外科學(xué)家合作，在新穎性能組合的碳材料研究中取得重要進展，研究成果以“Compressed glassy carbon: An ultrastrong and elastic interpenetrating graphene network”（壓縮玻璃碳：一種超強彈性交聯(lián)的石墨烯網(wǎng)絡(luò)）為題于2017年6月9日在線發(fā)表在Science Advances上。

康奈爾大學(xué)Lynden A. Archer教授在Science的“This Week in Science”專欄以“From glassy carbon to mixed carbon”（從玻璃碳到混合碳）為題進行了亮點介紹。文中指出“sp2和sp3共存的碳材料是材料學(xué)家夢寐以求的”，“本研究確立了創(chuàng)造以前無法實現(xiàn)的性能組合的碳基塊材路線圖”。Science Alert、IEEE Engineering 360、Carnegie Institution for Science、Wissenschaft aktuell、Russia News Today、參考消息等國內(nèi)外幾十家新聞媒體進行了報道和轉(zhuǎn)載。

碳具有石墨、金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨烯等多種同素異形體。眾所周知，石墨在高壓下可以直接轉(zhuǎn)變成超硬的金剛石。對于高溫高壓截獲的亞穩(wěn)相，其晶體結(jié)構(gòu)往往跟初始前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)、壓力溫度條件以及加載或卸載方式密切相關(guān)，這為探索新奇的碳材料提供了機會。在該項研究中，研究者們以玻璃碳為初始原料，利用高壓配合較溫和的溫度條件合成出了一種新型碳的同素異形體。由于它保留了玻璃碳的一些結(jié)構(gòu)特征，故被研究者命名為“壓縮玻璃碳”。前人在玻璃碳的高壓研究中曾發(fā)現(xiàn)：室溫冷壓所獲得的亞穩(wěn)態(tài)碳結(jié)構(gòu)在卸壓后將變回到玻璃碳；在高壓高溫條件下，玻璃碳最終將轉(zhuǎn)變成金剛石。而在該項研究中，研究者們采用的壓力和溫度條件卻不足以使玻璃碳轉(zhuǎn)變成金剛石。

壓縮玻璃碳同時具備石墨和金剛石的成鍵特征，是一種由sp2和sp3混合雜化的新型碳材料。在高壓合成環(huán)境下，玻璃碳內(nèi)部無序的層狀石墨烯通過多種方式彎曲、鍵合、交聯(lián)在一起，形成了一種長程無序、短程有序的空間架構(gòu)。這種碳材料具有奇異的性能組合：密度和導(dǎo)電性與石墨相近；壓縮強度明顯高于金屬和陶瓷材料，比強度達碳纖維、聚晶金剛石、碳化硅和碳化硼陶瓷的2倍以上；硬度與寶石相當(dāng)，可刻劃碳化硅單晶；局部變形的壓入彈性恢復(fù)率在70%以上，也明顯高于金屬和陶瓷材料，甚至高于形狀記憶合金和有機橡膠。壓縮玻璃碳集輕質(zhì)、超強、高硬、高彈和良好導(dǎo)電性于一身，在軍事和航空航天等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。