金剛石作為自然界中硬度*高的物質(zhì),被譽為現(xiàn)代工業(yè)“牙齒”,廣泛應(yīng)用于航空航天、精密加工、油氣鉆探等涉及民生和國防的重要領(lǐng)域。由于金剛石的密堆積結(jié)構(gòu)和飽和的強共價鍵,導(dǎo)致其具有較低的斷裂韌性和差的導(dǎo)電性,極大地限制了金剛石的應(yīng)用范圍。長期以來,金剛石的硬度/韌性、導(dǎo)電性存在相互排斥的矛盾,是該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。開發(fā)綜合性能優(yōu)異的大尺寸金剛石功能材料成為科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界不懈追求的目標。
鄭州大學(xué)楊西貴教授等人在大尺寸導(dǎo)電金剛石功能材料研究方面取得重要進展。提出sp3向sp2鍵逆向相變策略,同時自主發(fā)展了基于國產(chǎn)六面頂壓機的大腔體二級增壓技術(shù),以納米金剛石為前驅(qū)體,在溫和的壓力/溫度條件下開發(fā)了厘米級尺寸導(dǎo)電高韌金剛石復(fù)合材料(Diaphene)生長工藝。相關(guān)研究成果以“Centimeter-sizeddiamondcompositeswithhighelectricalconductivityandhardness”為題于,2月20日發(fā)表于《PNAS》。
在該金剛石復(fù)合材料中,由金剛石表面石墨化所產(chǎn)生的少層石墨烯均勻分布在納米金剛石顆;w中,通過sp2/sp3共價鍵相互連接。理論計算表明,不同于傳統(tǒng)石墨-金剛石相變所需的苛刻合成條件,金剛石-石墨逆向相變過程具有較低的相變勢壘從而保證了溫和的合成條件。該金剛石復(fù)合物展現(xiàn)了金剛石所不具備的導(dǎo)電性和韌性:室溫電導(dǎo)率高達2.0′104S/m;維氏硬度為42.5-55.8GPa;斷裂韌性為10.8-19.8MPam1/2,與商用硬質(zhì)合金相當。該金剛石復(fù)合物的成功制備實現(xiàn)了材料硬度、斷裂韌性和導(dǎo)電性的協(xié)同優(yōu)化,解決了金剛石材料無法兼具超硬、高韌和導(dǎo)電性的科學(xué)難題。該研究提出的金剛石向石墨逆向轉(zhuǎn)變的新策略和發(fā)展的大腔體二級增壓的新技術(shù),為大尺寸導(dǎo)電金剛石塊材的規(guī);苽涮峁┝丝尚型緩。
厘米級大尺寸導(dǎo)電金剛石的維氏硬度和室溫電導(dǎo)率
原文:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2316580121.
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