研究透视：燕山大学/清华Nature Materials-纳米金刚石/石墨烯复合材料

传统的陶瓷或金属材料，无法同时实现超高强度和高电导率。元素碳可以形成具有完全不同物理性质的多种同素异形体，从而为在宽范围内调整材料的力学和电学性质，提供多功能性。

今日，燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室Zihe Li，Mengdong Ma，Wentao Hu，Zhisheng Zhao，田永君 院士Yongjun Tian等，清华大学Yujia Wang，Huachun Ma，李晓雁Xiaoyan Li等，丹麦 奥尔堡大学（Aalborg University）Yuanzheng Yue，在Nature Materials上发文，在较窄的温度-压强范围内，实现了精准调控无定形碳转变为金刚石的程度，并合成了一种由超细纳米金刚石均匀分散在具有非共格界面的无序多层石墨烯组成的原位复合材料，该复合材料，在室温下表现出高达~53GPa努氏硬度、高达~54GPa抗压强度和670–1，240sm–1电导率。

通过原子分辨界面结构和分子动力学模拟，研究发现无定形碳，主要是通过碳原子的局部重排和扩散驱动生长的成核过程转变为金刚石，这与石墨转变为金刚石的过程不同。类金刚石和类石墨组分之间的复合结合，大大提高了复合材料的力学性能。这种超硬、超强、导电的单质碳复合材料具有优于已知导电陶瓷和碳碳C/C复合材料的综合性能。界面处的中间混合状态，也提供了对非晶碳到结晶相变的洞察。

Ultrastrong conductive in situ composite composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multilayer graphene
纳米金刚石非共格镶嵌无序多层石墨烯的超强导电原位复合材料。

图1：纳米金刚石/无序多层石墨烯nanodiamond and disordered, multilayer graphene，ND/DMG复合材料的X射线衍射图和拉曼光谱以及玻璃碳的压强-温度pressure-temperature，P-T相图。

图2：纳米金刚石ND和无序多层石墨烯DMG之间的非相干界面结构。

图3：与导电陶瓷和其他碳材料相比，纳米金刚石/无序多层石墨烯ND/DMG复合材料的硬度和电导率。

图4：纳米金刚石/无序多层石墨烯ND/DMG复合材料与其他类型材料的抗压强度比较。

图5：纳米金刚石/无序多层石墨烯ND/DMG复合材料和纯无序多层石墨烯DMG纳米柱单轴压缩的原子模拟。

文献链接

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

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01425-9.pdf

DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-022-01425-9

本文译自Nature。