兼具高强、高硬和高弹性碳材料的高温高压合成

This project intends to carry out the high-temperature and high-pressure (HTHP) synthesis of a class of new carbon materials with a combination of singular features. It aims to regulate the microstructure including atomic bonding type of glassy carbon and onion carbon precursors by HTHP means, and to synthesize a class of new sp2+sp3 hybridized carbon materials with high compressive strength (> 8GPa), high indentation hardness (> 20 GPa), and high elastic recovery rate (> 80%). The current project will study the microstructural evolution of this two precursors as well as their mixtures at varied HTHP conditions, and then measure the compressive strength, indentation hardness, and elastic recovery rate of the products, and further reveal the relationship between the macroscopic mechanical properties and microstructure including the bonding types and sp2/sp3 rate, and finally achieve the high-pressure regulation of structure and properties in the products. This study will help us to understand the microscopic mechanism for the combined mechanical properties of high strength, high hardness, and high elastic recovery, and to further develop a class of new carbon materials with strength and hardness compared with ceramics and elastic recovery like rubber.

本项目拟开展具有奇异功能组合新型碳材料的高温高压合成研究。目的在于利用高温高压这个特殊手段调控玻璃碳和洋葱碳前驱体原子间的成键方式及其微观结构和组织，合成出具有高压缩强度（>8GPa）、高压痕硬度（>20 GPa）、高弹性恢复率（>80%）、sp2+sp3杂化的新型碳材料。本项目将研究两种前驱体及其混合物在不同高温高压处理历史条件下组织结构和成键方式的演化规律，测定产物的压缩强度、压痕硬度和弹性恢复率，揭示力学性能与显微组织精细结构、成键方式以及sp2/sp3键比例之间的关系，实现碳材料组织结构和性能的高压调控。本项目的研究将有助于深入理解碳材料在具有高强高硬性能的同时又兼具高弹性恢复性质的微观机制，发展出强度和硬度如陶瓷而弹性恢复如橡胶的一类新型碳材料。

碳具有独特的成键方式可以形成不同杂化方式的同素异形体，故而表现出截然不同的物理化学性质。探索具有奇异性能的新型碳材料一直是科学研究的热点。在本项目的资助下，我们发展出三种兼具高强、高硬和高弹性恢复的新型碳材料，阐明了它们微观组织结构与性能之间的关系，形成了这类新材料的设计策略以及具有自主知识产权的制备技术，完成了既定目标。具体成果1：压缩玻璃碳。以玻璃碳为前驱体，在高温高压下使其相变，转变成一种sp2-sp3杂化的新型碳材料，称之为压缩玻璃碳。这种碳材料内部的sp3含量可达22%，具有奇异的功能组合：密度和导电性与石墨相近；压缩强度可达9 GPa，明显高于金属和陶瓷材料；比强度是碳纤维、聚晶金刚石、碳化硅和碳化硼陶瓷的2倍以上；硬度可达26 GPa，与宝石相当，可刻划碳化硅单晶；单轴压缩弹性应变可达4%；局部变形的压入弹性恢复率在70%以上，高于形状记忆合金和有机橡胶。此外，还进一步发展了在工业压力条件下合成这种强、硬、弹压缩玻璃碳的制备技术。成果2：压缩玻璃碳/纳米晶金刚石复合块材。这种复合材料中两相以共格或半共格界面紧密结合且两相含量可调，其导电性好，室温电导率为6.67-12.35 S/cm，杨氏模量位于200-600 GPa之间，努普硬度在33-53 GPa之间，局部变形的压入弹性恢复率>80%。成果3: 超强、超硬、高弹性和半导体性的非晶碳。利用富勒烯在高温高压下的相变截获了一种sp2-sp3杂化的、半导体性的非晶碳，其内部sp3成分高达72%，密度可达3.4 g/cm3，与金刚石相当；带隙位于1.5-2.1 eV之间；维氏硬度高达113 GPa，可刻划单晶金刚石的最硬面；其微米小柱的压缩强度高达70 GPa，是有史以来最硬、最强的非晶材料。通过本项目研究，不仅揭示了典型亚稳碳前驱体在高温高压下的相变和结构演化，还获得了具有奇异功能组合的新型碳材料，丰富了碳材料家族成员。