新型非晶碳聚合超硬相的可控合成、结构及形成机制的研究

The characteristics of the building blocks of superhard materials and their grain boundary interaction are both critical parameters in determining the properties of the synthesized superhards materials. Up to now, most of the studies are focusing on the preparation of the superhard materials by using nanocrystals as building blocks, while using amorphous nanostructures as building blocks has been rarely investigated. Moreover, the synthesis of new amorphous superhard materials with excellent properties in a controllable way is still a challenge. In this project, we propose the preparation of new superhard materials by using amorphous carbon clusters as building blocks. Our idea is to compress intercalated fullerene crystal and create amorphous carbon clusters by fullerene molecules collapse to form superhard material. Thus we can control the size of the building blocks by using different size fullerenes and tune the boundary interaction of the amorphous blocks by using different intercalated molecules in the starting crystals, respectively. This allows us to understand the effects of the building block dimension and the boundary interaction of the amorphous blocks on the properties of the formed superhard phases, as well as to uncover the underlying mechanism. Our results will benefit for the preparation of new superhard material constructed through the polymerization of nanosized amorphous building block, which have novel structures and thus are expected to exhibit new properties and potential applications.

超硬构筑单元的特性以及构筑单元界面间的相互作用，是决定超硬聚合块材性质的关键参数。目前研究主要集中在纳米晶构筑而成的多晶聚合超硬块材，而以非晶纳米结构为构筑单元，可控合成非晶聚合超硬相的研究还鲜有报道。合成结构可控、性能优异的非晶超硬材料仍是人们努力的方向。基于此，本项目提出利用高压手段，以压致非晶化的富勒烯碳簇为超硬构筑单元，制备新型非晶聚合超硬材料的方法。通过选用不同尺寸的富勒烯分子以及不同种类和性质的掺杂分子，在高压下对超硬构筑单元尺寸(甚至结构)及其界面间的相互作用进行调控，进而研究非晶构筑单元及其界面间作用对超硬相性质的影响，揭示其转化机制，为制备具有不同结构和性质的新型纳米非晶聚合超硬材料提供可行途径。

超硬材料作为一类重要的功能材料，在国防、工业等领域发挥着不可替代的作用。一直以来，研究和开发新型超硬材料都是重要研究课题。碳具有形成强共价键的能力，在碳中寻找力学性能优异的新型碳材料是关注的焦点。本项目以富勒烯及相关材料为研究对象，围绕新型超硬碳相的可控合成、结构及形成机制展开研究，在溶剂化富勒烯等材料的高压结构相变、新型超硬碳等方面取得系列重要进展。揭示了立方烷、偏三甲苯等系列分子与富勒烯C60/C70形成的溶解化晶体，以及Sm@C88和Sm@C90大碳笼富勒烯溶剂化晶体的高压结构和键合状态随压力的变化规律；提出了调控非晶构筑单元界面作用的研究策略，通过富勒烯和溶剂的选取实现了构筑单元尺寸及其界面的调控，在C60、C70溶剂化晶体中获得了几种全新的、具有不同结构的非晶碳簇聚合超硬相，并在高含能分子立方烷(C8H8)-C60共晶形成的长程有序非晶碳簇结构中首次观察到了非晶化转变，形成了具有潜在超硬性质的非晶相；进一步采用纳米构筑单元界面调控的思路，利用富勒烯调控纳米金刚石晶粒的界面作用，在大腔体压机中获得了一种具有高断裂韧性的超硬复合材料；在冷压下利用C70填充的碳纳米管复合结构，获得可常压截获的、单斜sp3超硬新碳相，命名为V-碳，解决了冷压超硬碳相常压截获的难题；还设计了一个可稳定存在的、单胞中含有14个碳原子的既超硬又导电的新结构，是已知密度最大的金属碳。还将研究拓展到具有类富勒烯结构的玻璃碳、洋葱状富勒烯纳米球、石墨烯等的高压结构相变研究中，发现了透明超硬玻璃碳等重要结果。这些结果为新型超硬材料的设计合成提供了新的思路。.以上结果共发表SCI论文22篇，含1篇Phys. Rev. Lett、2篇Adv. Mater.、2篇Appl. Phys. Lett.、2篇Nanoscale、2篇Carbon，获批国家发明专利一项，申报国家发明专利一项(公开中)。在国际高压会议、亚洲高压会议、中国高压科学学术会议等国际国内会议作报告16人次、海报3人次，其中邀请报告12人次。在项目的资助期间，项目负责人还获得了基金委优秀青年基金、教育部霍英东青年教师基金、唐敖庆青年教师奖等资助/奖励，以及吉林省自然科学一等奖一项(第二获奖人)。期间培养研究生10人，毕业研究生7人（含共同指导3人），其中1人毕业论文被评为省级优秀毕业论文，1人获得中国高压物理科学会议优秀青年论文奖。