這種碳材料兼備了石墨和金剛石的最佳特性，具有優異的綜合性能，”研究負責人之一、燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室趙智勝教授說，“它具有許多潛在應用，如軍用裝甲和航空航天等領域。”該研究成果發表在了近期的《Science Advances》雜志上。

 

碳材料家族

 

碳是看似具有無限可能的元素。這是因為其獨特的電子結構，可以有很多種成鍵方式，可以產生具有不同性質的一系列材料。碳具有多種同素異形體，如石墨、金剛石（鉆石）、富勒烯、碳納米管、石墨烯、玻璃碳等，其中石墨在壓力下可以轉變成超硬的金剛石。

 

通過混合sp2 / sp3的通道觀察壓縮玻璃碳中的互穿石墨烯網絡。 石墨烯片（藍色球體）在菱形節點（紅色球體）處交聯。

 

在新研究中，趙智勝和另一位通訊作者、燕山大學田永君教授等人以玻璃碳為原料，利用高壓但比較溫和的溫度條件合成了新型碳同素異形體。它由玻璃碳壓縮獲得并保留了玻璃碳的一些特征，研究人員將其命名為“壓縮玻璃碳”。

 

趙智勝說，以前曾有人研究玻璃碳在室溫或高溫下的高壓轉變，但制成的碳材料在卸壓后又變回了玻璃碳；而在高壓高溫條件下，玻璃碳就直接轉變成了金剛石。最新研究則在中等溫度下對玻璃碳加高壓，這樣既能使玻璃碳發生相變形成新型碳材料，溫度又不足以使它變成金剛石。

 

據介紹，壓縮玻璃碳有以下特性：它是與石墨類似的輕質材料，單軸壓縮強度是通常金屬及合金材料的5倍以上，也遠大于一般陶瓷材料；比強度（即強度－重量比）極高，是碳纖維、聚晶金剛石、碳化硅和碳化硼陶瓷的2倍以上；硬度極高，可輕松刻劃高硬度的碳化硅單晶片；具有很高的彈性恢復性，明顯高于普通金屬和陶瓷，甚至高于高彈性的形狀記憶合金及有機橡膠等；此外還具有導電性。

 

趙智勝說，他們接下來將進一步研發合成方法，最終目標是研制出超高強度、超高硬度兼具超高彈性的材料。

 

論文信息：

 

"Compressed glassy carbon: An ultrastrong and elastic interpenetrating graphene network," 

 

Science Advances (2017). advances.sciencemag.org/content/3/6/e1603213