傳統的碳/碳復合材料是由sp2雜化為主的不同碳材料組成的，例如，碳纖維增強熱解碳材料。它們往往具有高的導電性和可觀的強度，但由于組分內或組分之間存在著弱的范德華力，其力學性能很難得到進一步提升。解決途徑之一是將金剛石引入(ru)碳(tan)/碳(tan)復(fu)合材(cai)料，然而由于(yu)金剛(gang)石(shi)中的共價鍵極強且已經飽和，難以通過化學方(fang)法將其(qi)破壞，因此難以實現將金剛(gang)石(shi)與(yu)其(qi)他碳(tan)材(cai)料直接復(fu)合。

圖1.納(na)米金剛(gang)石(shi)/無序多層石(shi)墨烯復合材料的(de)微觀(guan)組織和界面結構

       針對上述(shu)問題(ti)和(he)挑戰，清華大學(xue)航天(tian)航空學(xue)院李曉(xiao)雁教授課題(ti)組與燕山大學(xue)田永君院士(shi)團隊合作(zuo)，選擇商(shang)用熱解(jie)碳(tan)作(zuo)為前驅體，在高(gao)壓（25GPa）和(he)窄(zhai)溫(wen)度(du)區間（1050~1150℃）內對前驅體進(jin)行高(gao)溫(wen)高(gao)壓實驗，成(cheng)功制備了一種(zhong)新型的(de)(de)碳(tan)/碳(tan)復合材料(liao)，即納米(mi)(mi)金(jin)(jin)剛石/無序多層石墨(mo)烯自生(sheng)(sheng)復合材料(liao)。該(gai)復合材料(liao)是由平均(jun)粒徑(jing)約(yue)4.8nm的(de)(de)超(chao)細納米(mi)(mi)金(jin)(jin)剛石相(xiang)互(hu)獨(du)立并均(jun)勻地(di)嵌入無序多層石墨(mo)烯基(ji)體中組成(cheng)的(de)(de)。通過調控溫(wen)度(du)，可以獲得金(jin)(jin)剛石體積百分(fen)比含量(liang)為20%~70%的(de)(de)復合材料(liao)。通過原子級分(fen)辨率的(de)(de)高(gao)角環形(xing)暗(an)場(chang)像表征和(he)分(fen)子動(dong)力學(xue)模擬（圖1），可以發現納米(mi)(mi)金(jin)(jin)剛石與多層石墨(mo)烯之間形(xing)成(cheng)了非共格界面，從而揭示了一種(zhong)非晶(jing)碳(tan)向(xiang)金(jin)(jin)剛石晶(jing)體轉變的(de)(de)機制，主要表現為納米(mi)(mi)晶(jing)金(jin)(jin)剛石的(de)(de)形(xing)核和(he)擴散(san)驅動(dong)生(sheng)(sheng)長(chang)。

       這種新型的碳/碳復合材料的組織結構和界面使得該復合材料具有優異的綜合性能：其努氏硬度最高可達53GPa，超過傳統超硬材料立方氮化(hua)硼(peng)；其微米柱單軸壓(ya)縮(suo)強(qiang)度達到通過相同測試(shi)方法獲得的(de)(de)SiC的(de)(de)壓(ya)縮(suo)強(qiang)度的(de)(de)兩倍(bei)以上；其室溫電(dian)導率約為(wei)670-1240 S/m，與導電(dian)性最好的(de)(de)導電(dian)陶瓷材(cai)料相當（圖(tu)2）。

       這種超硬(ying)、超強且導(dao)電的(de)全碳基(ji)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)的(de)綜合(he)(he)(he)(he)性(xing)(xing)能(neng)優(you)于(yu)目前已知的(de)所有(you)(you)導(dao)電陶瓷和(he)碳/碳復(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)，在航(hang)空航(hang)天、微納米(mi)電子(zi)器(qi)件(jian)等國家重(zhong)大工程領域(yu)具有(you)(you)潛在的(de)應用(yong)前景(jing)。該(gai)研究(jiu)工作(zuo)同(tong)時(shi)揭(jie)示了(le)(le)非晶碳向金(jin)剛(gang)(gang)石相(xiang)變(bian)的(de)機制，為進一步探索(suo)通(tong)過(guo)碳材(cai)(cai)料(liao)相(xiang)變(bian)過(guo)程來合(he)(he)(he)(he)成高性(xing)(xing)能(neng)新材(cai)(cai)料(liao)提供了(le)(le)重(zhong)要的(de)啟示。此外，采用(yong)大規模分子(zi)動力方(fang)法模擬了(le)(le)納米(mi)金(jin)剛(gang)(gang)石/多(duo)層石墨(mo)烯復(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)的(de)壓縮變(bian)形，從原子(zi)尺(chi)度(du)上(shang)揭(jie)示了(le)(le)該(gai)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)超硬(ying)、超強的(de)內在機理，即復(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)中的(de)納米(mi)金(jin)剛(gang)(gang)石阻礙了(le)(le)石墨(mo)烯基(ji)體中剪切帶(dai)的(de)傳(chuan)播和(he)擴(kuo)展(zhan)（圖3）。同(tong)時(shi)，采用(yong)逾(yu)滲(shen)理論(lun)模型(xing)和(he)混合(he)(he)(he)(he)率理論(lun)模型(xing)預(yu)測了(le)(le)不同(tong)金(jin)剛(gang)(gang)石含(han)量的(de)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)的(de)導(dao)電率和(he)硬(ying)度(du)，理論(lun)預(yu)測值與實(shi)驗測量一致。

圖2.納米金剛石/無序多層石墨烯復(fu)合(he)材(cai)料與(yu)其它材(cai)料的力學性(xing)(xing)能(neng)和導電性(xing)(xing)的對比

圖(tu)3.大(da)規(gui)模分子動力學模擬展示了在(zai)復(fu)合材料的壓縮(suo)變形過程中，納米金剛石有(you)效地(di)阻(zu)礙了石墨烯基體中剪切帶的傳(chuan)播和擴展

       上(shang)述成(cheng)果(guo)近日在《自(zi)然·材料(liao)》（Nature Materials）上(shang)以論(lun)文形式發表，論(lun)文標題為“納(na)米金剛石非共格嵌入(ru)無序多層石墨烯(xi)的超強導電(dian)自(zi)生復合材料(liao)”（Ultrastrong conductive in-situ composite composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multi-layer graphene）。

       清(qing)華(hua)大(da)(da)學(xue)(xue)航(hang)天(tian)航(hang)空學(xue)(xue)院李曉雁(yan)教(jiao)授(shou)、燕(yan)(yan)山大(da)(da)學(xue)(xue)田永(yong)君院士(shi)(shi)、燕(yan)(yan)山大(da)(da)學(xue)(xue)趙智(zhi)勝(sheng)教(jiao)授(shou)及丹(dan)麥奧爾(er)堡(bao)大(da)(da)學(xue)(xue)的(de)岳(yue)遠征(zheng)教(jiao)授(shou)為本文(wen)的(de)共同通(tong)訊作者(zhe)。清(qing)華(hua)大(da)(da)學(xue)(xue)航(hang)天(tian)航(hang)空學(xue)(xue)院博(bo)(bo)士(shi)(shi)后李子鶴、2022屆博(bo)(bo)士(shi)(shi)畢(bi)業(ye)(ye)生(sheng)王宇(yu)嘉、燕(yan)(yan)山大(da)(da)學(xue)(xue)2019屆博(bo)(bo)士(shi)(shi)畢(bi)業(ye)(ye)生(sheng)馬夢冬、清(qing)華(hua)航(hang)院2019級(ji)博(bo)(bo)士(shi)(shi)生(sheng)馬華(hua)春和(he)燕(yan)(yan)山大(da)(da)學(xue)(xue)胡文(wen)濤教(jiao)授(shou)為論文(wen)共同第一作者(zhe)。本研究(jiu)得到了(le)國家自(zi)然科學(xue)(xue)基金(jin)委基礎科學(xue)(xue)中心項目(mu)、重大(da)(da)研究(jiu)計劃(hua)項目(mu)、創新(xin)群體項目(mu)等項目(mu)的(de)資助。

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