碳材料家族新成员：硬度像钻石弹性超橡胶还导电

 

这种碳材料兼备了石墨和金刚石的最佳特性，具有优异的综合性能，”研究负责人之一、燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室赵智胜教授说，“它具有许多潜在应用，如军用装甲和航空航天等领域。”该研究成果发表在了近期的《Science Advances》杂志上。

 

碳材料家族

 

碳是看似具有无限可能的元素。这是因为其独特的电子结构，可以有很多种成键方式，可以产生具有不同性质的一系列材料。碳具有多种同素异形体，如石墨、金刚石（钻石）、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、玻璃碳等，其中石墨在压力下可以转变成超硬的金刚石。

 

通过混合sp2 / sp3的通道观察压缩玻璃碳中的互穿石墨烯网络。 石墨烯片（蓝色球体）在菱形节点（红色球体）处交联。

 

在新研究中，赵智胜和另一位通讯作者、燕山大学田永君教授等人以玻璃碳为原料，利用高压但比较温和的温度条件合成了新型碳同素异形体。它由玻璃碳压缩获得并保留了玻璃碳的一些特征，研究人员将其命名为“压缩玻璃碳”。

 

赵智胜说，以前曾有人研究玻璃碳在室温或高温下的高压转变，但制成的碳材料在卸压后又变回了玻璃碳；而在高压高温条件下，玻璃碳就直接转变成了金刚石。最新研究则在中等温度下对玻璃碳加高压，这样既能使玻璃碳发生相变形成新型碳材料，温度又不足以使它变成金刚石。

 

据介绍，压缩玻璃碳有以下特性：它是与石墨类似的轻质材料，单轴压缩强度是通常金属及合金材料的5倍以上，也远大于一般陶瓷材料；比强度（即强度－重量比）极高，是碳纤维、聚晶金刚石、碳化硅和碳化硼陶瓷的2倍以上；硬度极高，可轻松刻划高硬度的碳化硅单晶片；具有很高的弹性恢复性，明显高于普通金属和陶瓷，甚至高于高弹性的形状记忆合金及有机橡胶等；此外还具有导电性。

 

赵智胜说，他们接下来将进一步研发合成方法，最终目标是研制出超高强度、超高硬度兼具超高弹性的材料。

 

论文信息：

 

"Compressed glassy carbon: An ultrastrong and elastic interpenetrating graphene network," 

 

Science Advances (2017). advances.sciencemag.org/content/3/6/e1603213