最新Nature Materials：石墨烯/金刚石复合，同步实现力学电学性能极大提升

一、导读

获得高强/硬以及良好导电性的高性能材料具有广泛的应用前景。传统的金属材料具有非常好的导电性，但其强度基本都低于2GPa，而且高温下强度会显著降低。陶瓷材料具有较高的强/硬度，但基本都为导电绝缘体。碳的独特性在于它能灵活地形成sp、sp2和sp3键，从而形成各种性能迥异的同素异形体，例如柔软的导电石墨、超硬的绝缘金刚石等。如此，碳材料的导电性能在很大范围内是可调的。由于碳具有复杂的价键和能态，通过动力学相变可以形成局部能量最小的亚稳态相。因此，通过改变温度和压力控制高能前驱体的相变，有望获得独特的亚稳相或多相复合材料。通过巧妙组合两种或多种碳材料是另一种产生优异材料性能的策略。

二、成果掠影

近日，燕山大学的田永君院士、赵智胜教授、清华大学李晓雁教授与丹麦奥尔堡大学岳远征教授合作，通过在较窄的温度-压力范围内精确控制非晶碳转变为金刚石的程度，原位合成了一种具有非共格界面的超细纳米金刚石/多层石墨烯自生复合材料。该材料的微观结构表现为由纳米金刚石均匀弥散镶嵌在无序多层石墨烯基体中，其室温下的硬度高达~53 GPa，抗压强度高达~54 GPa，电导率为670 - 1240 S m^-1。通过分子动力学模拟，论文进一步揭示了非晶态碳转变为金刚石的过程是一个局部碳原子重排和扩散驱动生长的成核过程，不同于石墨转变为金刚石的相变过程。同时，纳米金刚石和多层石墨烯之间的非共格界面大大提高了复合材料的力学性能。这种超硬、超强、导电的碳/碳自生复合材料的综合性能优于已知的导电陶瓷和早先的碳/碳复合材料。界面处的中间杂化态也为碳的非晶-晶相变提供了新的思路。相关成果以“Ultrastrong conductive in situ composite composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multilayer graphene”为题发表在国际著名材料综合期刊Nature materials上。

三、核心创新点

(1) 定量调控非晶碳在高温高压下的相变程度，合成出超硬、超强、导电的纳米金刚石/多层石墨烯自生复合材料；

(2) 揭示了非晶碳转变为金刚石晶的相变机制;

(3) 从原子尺度上揭示了该新型碳/碳复合材料超硬、超强的内在机理。

四、数据概览

图1 ND（纳米金刚石）/DMG（无序多层石墨烯）复合材料的x射线衍射图和拉曼光谱及玻璃碳的P-T相图；a. x射线衍射图；b. 测量的拉曼光谱。在a和b中，Composite-1、Composite-2和Composite-3分别代表在25GPa和1050、1100和1150℃温度下压缩GC样品后得到的样品；c. GC的P-T相图。@ 2022 Spring Nature

图2 ND和DMG之间的非共格界面结构；a-d. HAADF-STEM图像，揭示了具有随机、自匹配sp2或sp3键合的复杂界面结构。D和G分别表示ND和DMG区域。界面用红线表示；e,f, ND和DMG界面处的模拟原子结构。红色、绿色和黄色原子分别为sp、sp2和sp3杂化。@ 2022 Spring Nature

图3 与导电陶瓷和其他碳材料相比，ND/DMG复合材料的硬度和导电性；a. ND/DMG复合材料的努普硬度(HK)随外加载荷的变化; b. ND/DMG复合材料和各种材料的室温电导率-硬度变化规律。复合材料-2和复合材料-3是超硬导电C/C复合材料，综合性能优于导电陶瓷和其他碳材料@ 2022 Spring Nature

图4 ND/DMG复合材料抗压强度与其他类型材料的比较；a，直径为1 μm的ND/DMG复合微柱的典型工程应力-应变曲线。微柱的弹性变形可达~10%应变，并在最大施加应力时发生断裂。复合材料-2和复合材料-3的应力-应变曲线沿应变轴分别偏移10%和21.5%；b. ND/DMG复合材料的抗压强度与其他材料的比较。通过对微柱进行单轴压缩，得到了所有参比材料的抗压强度。结果表明，ND/DMG复合材料的强度高于传统复合材料，如陶瓷，如碳化硅，蓝宝石，β-Si₃N₄，碳化钨(WC)， B₄C和MgO。@ 2022 Spring Nature

图5 ND/DMG复合材料和纯DMG纳米柱单轴压缩的原子模拟；a，直径D为10 nm的ND/DMG复合纳米柱的原子构型。b，直径为10 nm的ND/DMG复合纳米柱横截面上的键合结构。c，不同直径模拟试样的压缩应力-应变(σ -ε)曲线。d - f，压缩过程中直径D为10 nm的纯DMG纳米柱的原位图像。g，压缩应变为36%时，纯DMG纳米柱截面上的键合结构。h-j, ND/DMG纳米柱在压缩过程中的原位图像，直径D为10 nm。k，压缩应变为36%时，ND/DMG复合纳米柱截面上的键合结构。h-j中的白色虚线描述了嵌入在基质中的金刚石纳米颗粒的轮廓。@ 2022 Spring Nature

五、成果启示

这种自生复合材料展示了力学性能和电学性能的独特组合。它不仅填补了碳材料合成未被探索的区域，还给出了非晶碳到金刚石相变的根本性见解。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01425-9

本文由虚谷纳物供稿。