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燕山大學在碳材料研究中取得重要進展

2017-07-04 10:08:10 作者：本網發布來源：國家自然科學基金委員會分享至：

在國家自然科學基金項目（項目編號：51672238，51421091，51525205，51332005，51272227）等資助下，燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室田永君課題組的趙智勝教授等人與國內外科學家合作，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：一種超強彈性交聯的石墨烯網絡）為題于2017年6月9日在線發表在Science Advances上。

康奈爾大學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家夢寐以求的”，“本研究確立了創造以前無法實現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、參考消息等國內外幾十家新聞媒體進行了報道和轉載。

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變成超硬的金剛石。對于高溫高壓截獲的亞穩相，其晶體結構往往跟初始前驅體的結構、壓力溫度條件以及加載或卸載方式密切相關，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構特征，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現：室溫冷壓所獲得的亞穩態碳結構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。在高壓合成環境下，玻璃碳內部無序的層狀石墨烯通過多種方式彎曲、鍵合、交聯在一起，形成了一種長程無序、短程有序的空間架構。這種碳材料具有奇異的性能組合：密度和導電性與石墨相近；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，可刻劃碳化硅單晶；局部變形的壓入彈性恢復率在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、超強、高硬、高彈和良好導電性于一身，在軍事和航空航天等領域具有潛在的應用前景。