燕山大学在碳材料研究中取得重要进展

2017-07-04 10:08:10 作者：本网发布来源：国家自然科学基金委员会分享至：

在国家自然科学基金项目（项目编号：51672238，51421091，51525205，51332005，51272227）等资助下，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君课题组的赵智胜教授等人与国内外科学家合作，在新颖性能组合的碳材料研究中取得重要进展，研究成果以“Compressed glassy carbon: An ultrastrong and elastic interpenetrating graphene network”（压缩玻璃碳：一种超强弹性交联的石墨烯网络）为题于2017年6月9日在线发表在Science Advances上。

康奈尔大学Lynden A. Archer教授在Science的“This Week in Science”专栏以“From glassy carbon to mixed carbon”（从玻璃碳到混合碳）为题进行了亮点介绍。文中指出“sp2和sp3共存的碳材料是材料学家梦寐以求的”，“本研究确立了创造以前无法实现的性能组合的碳基块材路线图”。Science Alert、IEEE Engineering 360、Carnegie Institution for Science、Wissenschaft aktuell、Russia News Today、参考消息等国内外几十家新闻媒体进行了报道和转载。

碳具有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等多种同素异形体。众所周知，石墨在高压下可以直接转变成超硬的金刚石。对于高温高压截获的亚稳相，其晶体结构往往跟初始前驱体的结构、压力温度条件以及加载或卸载方式密切相关，这为探索新奇的碳材料提供了机会。在该项研究中，研究者们以玻璃碳为初始原料，利用高压配合较温和的温度条件合成出了一种新型碳的同素异形体。由于它保留了玻璃碳的一些结构特征，故被研究者命名为“压缩玻璃碳”。前人在玻璃碳的高压研究中曾发现：室温冷压所获得的亚稳态碳结构在卸压后将变回到玻璃碳；在高压高温条件下，玻璃碳最终将转变成金刚石。而在该项研究中，研究者们采用的压力和温度条件却不足以使玻璃碳转变成金刚石。

压缩玻璃碳同时具备石墨和金刚石的成键特征，是一种由sp2和sp3混合杂化的新型碳材料。在高压合成环境下，玻璃碳内部无序的层状石墨烯通过多种方式弯曲、键合、交联在一起，形成了一种长程无序、短程有序的空间架构。这种碳材料具有奇异的性能组合：密度和导电性与石墨相近；压缩强度明显高于金属和陶瓷材料，比强度达碳纤维、聚晶金刚石、碳化硅和碳化硼陶瓷的2倍以上；硬度与宝石相当，可刻划碳化硅单晶；局部变形的压入弹性恢复率在70%以上，也明显高于金属和陶瓷材料，甚至高于形状记忆合金和有机橡胶。压缩玻璃碳集轻质、超强、高硬、高弹和良好导电性于一身，在军事和航空航天等领域具有潜在的应用前景。