最新Nature Materials：石墨烯/金剛石復合，同步實現力學電學性能極大提升

一、導讀

獲得高強/硬以及良好導電性的高性能材料具有廣泛的應用前景。傳統的金屬材料具有非常好的導電性，但其強度基本都低于2GPa，而且高溫下強度會顯著降低。陶瓷材料具有較高的強/硬度，但基本都為導電絕緣體。碳的獨特性在于它能靈活地形成sp、sp2和sp3鍵，從而形成各種性能迥異的同素異形體，例如柔軟的導電石墨、超硬的絕緣金剛石等。如此，碳材料的導電性能在很大范圍內是可調的。由于碳具有復雜的價鍵和能態，通過動力學相變可以形成局部能量最小的亞穩態相。因此，通過改變溫度和壓力控制高能前驅體的相變，有望獲得獨特的亞穩相或多相復合材料。通過巧妙組合兩種或多種碳材料是另一種產生優異材料性能的策略。

二、成果掠影

近日，燕山大學的田永君院士、趙智勝教授、清華大學李曉雁教授與丹麥奧爾堡大學岳遠征教授合作，通過在較窄的溫度-壓力范圍內精確控制非晶碳轉變為金剛石的程度，原位合成了一種具有非共格界面的超細納米金剛石/多層石墨烯自生復合材料。該材料的微觀結構表現為由納米金剛石均勻彌散鑲嵌在無序多層石墨烯基體中，其室溫下的硬度高達~53 GPa，抗壓強度高達~54 GPa，電導率為670 - 1240 S m^-1。通過分子動力學模擬，論文進一步揭示了非晶態碳轉變為金剛石的過程是一個局部碳原子重排和擴散驅動生長的成核過程，不同于石墨轉變為金剛石的相變過程。同時，納米金剛石和多層石墨烯之間的非共格界面大大提高了復合材料的力學性能。這種超硬、超強、導電的碳/碳自生復合材料的綜合性能優于已知的導電陶瓷和早先的碳/碳復合材料。界面處的中間雜化態也為碳的非晶-晶相變提供了新的思路。相關成果以“Ultrastrong conductive in situ composite composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multilayer graphene”為題發表在國際著名材料綜合期刊Nature materials上。

三、核心創新點

(1) 定量調控非晶碳在高溫高壓下的相變程度，合成出超硬、超強、導電的納米金剛石/多層石墨烯自生復合材料；

(2) 揭示了非晶碳轉變為金剛石晶的相變機制;

(3) 從原子尺度上揭示了該新型碳/碳復合材料超硬、超強的內在機理。

四、數據概覽

圖1 ND（納米金剛石）/DMG（無序多層石墨烯）復合材料的x射線衍射圖和拉曼光譜及玻璃碳的P-T相圖；a. x射線衍射圖；b. 測量的拉曼光譜。在a和b中，Composite-1、Composite-2和Composite-3分別代表在25GPa和1050、1100和1150℃溫度下壓縮GC樣品后得到的樣品；c. GC的P-T相圖。@ 2022 Spring Nature

圖2 ND和DMG之間的非共格界面結構；a-d. HAADF-STEM圖像，揭示了具有隨機、自匹配sp2或sp3鍵合的復雜界面結構。D和G分別表示ND和DMG區域。界面用紅線表示；e,f, ND和DMG界面處的模擬原子結構。紅色、綠色和黃色原子分別為sp、sp2和sp3雜化。@ 2022 Spring Nature

圖3 與導電陶瓷和其他碳材料相比，ND/DMG復合材料的硬度和導電性；a. ND/DMG復合材料的努普硬度(HK)隨外加載荷的變化; b. ND/DMG復合材料和各種材料的室溫電導率-硬度變化規律。復合材料-2和復合材料-3是超硬導電C/C復合材料，綜合性能優于導電陶瓷和其他碳材料@ 2022 Spring Nature

圖4 ND/DMG復合材料抗壓強度與其他類型材料的比較；a，直徑為1 μm的ND/DMG復合微柱的典型工程應力-應變曲線。微柱的彈性變形可達~10%應變，并在最大施加應力時發生斷裂。復合材料-2和復合材料-3的應力-應變曲線沿應變軸分別偏移10%和21.5%；b. ND/DMG復合材料的抗壓強度與其他材料的比較。通過對微柱進行單軸壓縮，得到了所有參比材料的抗壓強度。結果表明，ND/DMG復合材料的強度高于傳統復合材料，如陶瓷，如碳化硅，藍寶石，β-Si₃N₄，碳化鎢(WC)， B₄C和MgO。@ 2022 Spring Nature

圖5 ND/DMG復合材料和純DMG納米柱單軸壓縮的原子模擬；a，直徑D為10 nm的ND/DMG復合納米柱的原子構型。b，直徑為10 nm的ND/DMG復合納米柱橫截面上的鍵合結構。c，不同直徑模擬試樣的壓縮應力-應變(σ -ε)曲線。d - f，壓縮過程中直徑D為10 nm的純DMG納米柱的原位圖像。g，壓縮應變為36%時，純DMG納米柱截面上的鍵合結構。h-j, ND/DMG納米柱在壓縮過程中的原位圖像，直徑D為10 nm。k，壓縮應變為36%時，ND/DMG復合納米柱截面上的鍵合結構。h-j中的白色虛線描述了嵌入在基質中的金剛石納米顆粒的輪廓。@ 2022 Spring Nature

五、成果啟示

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。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01425-9

本文由虛谷納物供稿。