燕山大學(xué)亞穩材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室田永君課題組的趙智勝教授等人與國內外科學(xué)家合作，在新穎性能組合的碳材料研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以（壓縮玻璃碳：一種超強彈性交聯(lián)的石墨烯網(wǎng)絡(luò )）為題，指出“sp2和sp3共存的碳材料是材料學(xué)家夢(mèng)寐以求的”，確立了創(chuàng )造以前無(wú)法實(shí)現的性能組合的碳基塊材路線(xiàn)圖。
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(guān)，這為探索新奇的碳材料提供了機會(huì )。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(fā)現：室溫冷壓所獲得的亞穩態(tài)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(shí)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(huán)境下，玻璃碳內部無(wú)序的層狀石墨烯通過(guò)多種方式彎曲、鍵合、交聯(lián)在一起，形成了一種長(cháng)程無(wú)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(zhì)、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(lǐng)域具有潛在的應用前景。
圖1. 壓縮玻璃碳(Com.GC)的硬度、彈性恢復率和比強度。左插圖為合成樣品，右插圖為結構示意圖。
資料來(lái)源：工程與材料科學(xué)部
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