《自然·材料》室溫導電超硬材料領域又有新進展

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碳/碳復合材料，然而由于金剛石中的共價鍵極強且已經飽和，難以通過化學方法將其破壞，因此難以實現將金剛石與其他碳材料直接復合。

圖1.納米金剛石/無序多層石墨烯復合材料的微觀組織和界面結構

針對上述問題和挑戰，清華大學航天航空學院李曉雁教授課題組與燕山大學田永君院士團隊合作，選擇商用熱解碳作為前驅體，在高壓（25GPa）和窄溫度區間（1050~1150℃）內對前驅體進行高溫高壓實驗，成功制備了一種新型的碳/碳復合材料，即納米金剛石/無序多層石墨烯自生復合材料。該復合材料是由平均粒徑約4.8nm的超細納米金剛石相互獨立并均勻地嵌入無序多層石墨烯基體中組成的。通過調控溫度，可以獲得金剛石體積百分比含量為20%~70%的復合材料。通過原子級分辨率的高角環形暗場像表征和分子動力學模擬（圖1），可以發現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變的機制，主要表現為納米晶金剛石的形核和擴散驅動生長。

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硼；其微米柱單軸壓縮強度達到通過相同測試方法獲得的SiC的壓縮強度的兩倍以上；其室溫電導率約為670-1240 S/m，與導電性最好的導電陶瓷材料相當（圖2）。

這種超硬、超強且導電的全碳基復合材料的綜合性能優于目前已知的所有導電陶瓷和碳/碳復合材料，在航空航天、微納米電子器件等國家重大工程領域具有潛在的應用前景。該研究工作同時揭示了非晶碳向金剛石相變的機制，為進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，采用大規模分子動力方法模擬了納米金剛石/多層石墨烯復合材料的壓縮變形，從原子尺度上揭示了該復合材料超硬、超強的內在機理，即復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展（圖3）。同時，采用逾滲理論模型和混合率理論模型預測了不同金剛石含量的復合材料的導電率和硬度，理論預測值與實驗測量一致。

圖2.納米金剛石/無序多層石墨烯復合材料與其它材料的力學性能和導電性的對比

圖3.大規模分子動力學模擬展示了在復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展

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

清華大學航天航空學院李曉雁教授、燕山大學田永君院士、燕山大學趙智勝教授及丹麥奧爾堡大學的岳遠征教授為本文的共同通訊作者。清華大學航天航空學院博士后李子鶴、2022屆博士畢業生王宇嘉、燕山大學2019屆博士畢業生馬夢冬、清華航院2019級博士生馬華春和燕山大學胡文濤教授為論文共同第一作者。本研究得到了國家自然科學基金委基礎科學中心項目、重大研究計劃項目、創新群體項目等項目的資助。

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