傳統(tǒng)的碳/碳復(fù)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(qiáng)熱解碳材料。它們往往具有高的導(dǎo)電性和可觀的強(qiáng)度，但由于組分內(nèi)或組分之間存在著弱的范德華力，其力學(xué)性能很難得到進(jìn)一步提升。解決途徑之一是將金剛石引入碳/碳復(fù)合材料，然而由于金剛石中的共價(jià)鍵極強(qiáng)且已經(jīng)飽和，難以通過化學(xué)方法將其破壞，因此難以實(shí)現(xiàn)將金剛石與其他碳材料直接復(fù)合。

圖1.納米金剛石/無序多層石墨烯復(fù)合材料的微觀組織和界面結(jié)構(gòu)

       針對(duì)上述問題和挑戰(zhàn)，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授課題組與燕山大學(xué)田永君院士團(tuán)隊(duì)合作，選擇商用熱解碳作為前驅(qū)體，在高壓（25GPa）和窄溫度區(qū)間（1050~1150℃）內(nèi)對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行高溫高壓實(shí)驗(yàn)，成功制備了一種新型的碳/碳復(fù)合材料，即納米金剛石/無序多層石墨烯自生復(fù)合材料。該復(fù)合材料是由平均粒徑約4.8nm的超細(xì)納米金剛石相互獨(dú)立并均勻地嵌入無序多層石墨烯基體中組成的。通過調(diào)控溫度，可以獲得金剛石體積百分比含量為20%~70%的復(fù)合材料。通過原子級(jí)分辨率的高角環(huán)形暗場(chǎng)像表征和分子動(dòng)力學(xué)模擬（圖1），可以發(fā)現(xiàn)納米金剛石與多層石墨烯之間形成了非共格界面，從而揭示了一種非晶碳向金剛石晶體轉(zhuǎn)變的機(jī)制，主要表現(xiàn)為納米晶金剛石的形核和擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)。

       這種新型的碳/碳復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)和界面使得該復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能：其努氏硬度最高可達(dá)53GPa，超過傳統(tǒng)超硬材料立方氮化硼；其微米柱單軸壓縮強(qiáng)度達(dá)到通過相同測(cè)試方法獲得的SiC的壓縮強(qiáng)度的兩倍以上；其室溫電導(dǎo)率約為670-1240 S/m，與導(dǎo)電性最好的導(dǎo)電陶瓷材料相當(dāng)（圖2）。

       這種超硬、超強(qiáng)且導(dǎo)電的全碳基復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于目前已知的所有導(dǎo)電陶瓷和碳/碳復(fù)合材料，在航空航天、微納米電子器件等國(guó)家重大工程領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。該研究工作同時(shí)揭示了非晶碳向金剛石相變的機(jī)制，為進(jìn)一步探索通過碳材料相變過程來合成高性能新材料提供了重要的啟示。此外，采用大規(guī)模分子動(dòng)力方法模擬了納米金剛石/多層石墨烯復(fù)合材料的壓縮變形，從原子尺度上揭示了該復(fù)合材料超硬、超強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)理，即復(fù)合材料中的納米金剛石阻礙了石墨烯基體中剪切帶的傳播和擴(kuò)展（圖3）。同時(shí)，采用逾滲理論模型和混合率理論模型預(yù)測(cè)了不同金剛石含量的復(fù)合材料的導(dǎo)電率和硬度，理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量一致。

圖2.納米金剛石/無序多層石墨烯復(fù)合材料與其它材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性的對(duì)比

圖3.大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬展示了在復(fù)合材料的壓縮變形過程中，納米金剛石有效地阻礙了石墨烯基體中剪切帶的傳播和擴(kuò)展

       上述成果近日在《自然·材料》（Nature Materials）上以論文形式發(fā)表，論文標(biāo)題為“納米金剛石非共格嵌入無序多層石墨烯的超強(qiáng)導(dǎo)電自生復(fù)合材料”（Ultrastrong conductive in-situ composite composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multi-layer graphene）。

       清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授、燕山大學(xué)田永君院士、燕山大學(xué)趙智勝教授及丹麥奧爾堡大學(xué)的岳遠(yuǎn)征教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士后李子鶴、2022屆博士畢業(yè)生王宇嘉、燕山大學(xué)2019屆博士畢業(yè)生馬夢(mèng)冬、清華航院2019級(jí)博士生馬華春和燕山大學(xué)胡文濤教授為論文共同第一作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、重大研究計(jì)劃項(xiàng)目、創(chuàng)新群體項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

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