玻璃碳特征

近日，田永君課題組的趙智勝教授等人與國內(nèi)外科學(xué)家合作，以玻璃碳為初始原料，利用高壓配合較溫和的溫度條件合成出了一種新型碳的同素異形體。由于它保留了玻璃碳的一些結(jié)構(gòu)特征，故被命名為“壓縮玻璃碳”。其研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

眾所周知，石墨在高壓下可以直接轉(zhuǎn)變成超硬的金剛石。對于高溫高壓截獲的亞穩(wěn)相，其晶體結(jié)構(gòu)往往跟初始前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)、壓力溫度條件以及加載或卸載方式密切相關(guān)，這為探索新奇的碳材料提供了機(jī)會。

研究人員表示，壓縮玻璃碳同時具備石墨和金剛石的成鍵特征，是一種由sp2和sp3混合雜化的新型碳材料。在高壓合成環(huán)境下，玻璃碳內(nèi)部無序的層狀石墨烯通過多種方式彎曲、鍵合、交聯(lián)在一起，形成了一種長程無序、短程有序的空間架構(gòu)。

這種碳材料具有奇異的性能組合：密度和導(dǎo)電性與石墨相近；壓縮強(qiáng)度明顯高于金屬和陶瓷材料，比強(qiáng)度達(dá)碳纖維、聚晶金剛石、碳化硅和碳化硼陶瓷的2倍以上；硬度與寶石相當(dāng)，可刻劃碳化硅單晶；局部變形的壓入彈性恢復(fù)率在70%以上，也明顯高于金屬和陶瓷材料，甚至高于形狀記憶合金和有機(jī)橡膠。

文章轉(zhuǎn)載自《中國科學(xué)報》（2017年7月4日第四版 綜合）

作者：高長安 劉蕊

圖片：蔡巧怡

后臺編輯：趙卓琳

審核： 朱可嘉

【據(jù)phy.org 網(wǎng)站9月4號報道】去年冬天，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，在1000攝氏度（華氏1,832華氏度），以焙燒的方法將酚醛樹脂轉(zhuǎn)化成玻璃碳材料，可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和低密度的最佳組合。而現(xiàn)在他們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)類似的玻璃化轉(zhuǎn)變，即在800℃的條件下，向該材料中加入一小部分碳納米管。

提高可制造性

Wardle說：“這項(xiàng)工作帶給我們一個有趣的發(fā)現(xiàn)，即納米結(jié)構(gòu)有助于制造玻璃碳復(fù)合材料。納米材料的早期研究已經(jīng)表明，納米結(jié)構(gòu)阻礙了制造業(yè)的發(fā)展，然而，我們在幾個研究領(lǐng)域中都找到了一個共同點(diǎn)，即當(dāng)納米結(jié)構(gòu)受控時，它非但不會阻礙制造，而且還可以顯著地加強(qiáng)制造?！?/p>

晶粒尺寸與硬度密切相關(guān)，而硬度又是強(qiáng)度和韌性等機(jī)械性能的量度。它也是玻璃碳材料最重要的特性之一。

早期論文的主要發(fā)現(xiàn)是，碳晶粒排列的越紊亂，則玻璃碳材料中的硬度就越高、密度也越低，這是由于在無氧環(huán)境下焙燒酚醛樹脂所致。轉(zhuǎn)化的這種物質(zhì)也被稱為熱解碳。

雖然這種聚合物可以轉(zhuǎn)化成類似石墨的材料，但是它并不具有高度有序的結(jié)構(gòu)。這種差異通過x射線衍射(XRD)的分析也得到了證實(shí)。這里微晶之間的紊亂結(jié)構(gòu)被稱為亂層堆垛。

為了想象出這種紊亂的結(jié)構(gòu)，Stein建議將它們想象成一堆扁平的方形紙。紙張容易堆疊成一個完美的正方形，且每張紙之間的空間很小。但是，如果將每張紙取出，揉皺，然后再將其輕輕地壓平，此時若想將紙張重新排列成整齊的堆疊就顯得格外困難了。

類似的無序結(jié)構(gòu)存在于玻璃碳分子中，由于前驅(qū)體酚醛樹脂富含碳的混合物，如果焙燒溫度不夠高，就無法將其全部分解成更簡單的碳結(jié)構(gòu)。拉曼光譜證實(shí)了這些缺陷在碳結(jié)構(gòu)中的存在，且傅立葉變換紅外光譜則證實(shí)了微晶內(nèi)氧和氫基團(tuán)的存在。

研究人員早期的論文表明，這種物質(zhì)通過難以被破壞的三維連接來保持它的高強(qiáng)度。而新的研究結(jié)果表明，碳納米管對材料中氧或氫的亞結(jié)構(gòu)是沒有影響的。

上圖為麻省理工學(xué)院博士后Itai Stein手持固化的酚醛樹脂和玻璃碳的樣品照片。 來源：Denis Paiste /材料加工中心

Stein說：“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，在碳納米管存在的情況下，聚合物的石墨化特性沒有改變。這是一個非常有趣的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槲覀兛梢越档推浼庸囟龋珔s不會影響到所得玻璃碳的結(jié)構(gòu)。由于玻璃碳的性質(zhì)取決于它的結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)可以使該材料的工業(yè)生產(chǎn)大大降低其能源成本。”

更快的結(jié)構(gòu)演變

“碳納米管使復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)在中尺度上能夠演變得更快，所以它才能在較低的加工溫度下達(dá)到其最終狀態(tài)，”Kaiser 補(bǔ)充道，“這些納米管也降低了材料的整體重量，使得我們可以在較低的溫度下，生產(chǎn)出低密度且保持其優(yōu)異性能的復(fù)合材料。”

Stein指出，在早期的研究中，研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工溫度升高到1000℃以上時，會導(dǎo)致材料的性能變差。

“因此我們實(shí)質(zhì)上是想降低達(dá)到最佳性能的溫度，”Stein在報告中說， “800攝氏度是最好的溫度點(diǎn)，因?yàn)榇藭r玻璃碳可以實(shí)現(xiàn)低密度的同時且保持其高強(qiáng)度?！?/p>

Stein說，較低的加工溫度也可能使這些酚醛材料與熔點(diǎn)低于1000℃的金屬更相容，而這對3D打印來說是非常有應(yīng)用前景的。

下一代納米結(jié)構(gòu)

范德堡大學(xué)化學(xué)與生物分子工程助理教授Piran R. Kidambi說：“未來一系列結(jié)構(gòu)復(fù)合材料都將從這項(xiàng)研究中獲益，特別是下一代超輕量級納米結(jié)構(gòu)?！?/p>

Kidambi說：“研究發(fā)現(xiàn)，與純玻璃碳基質(zhì)相比，在200攝氏度以下的溫度，中尺度的碳納米管——玻璃碳基質(zhì)納米復(fù)合材料演變得更快，低溫對于制造來說是個好消息，可以減少加工過程中的加熱成本，因此，從制造角度來說，微晶尺寸和較低溫度下的組合是非常有趣的，這是一項(xiàng)高質(zhì)量的研究，它為優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料的制造/合成提供了路線。

Kaiser說：“我非常高興參與這項(xiàng)研究，現(xiàn)在，能夠作為研究生回到麻省理工學(xué)院，重新加入Wardle集團(tuán)，進(jìn)行這項(xiàng)工作非常令人興奮。我渴望當(dāng)我攻讀博士學(xué)位的時候，能夠繼續(xù)從事復(fù)合材料的研究工作?！?/p>

原文來自phys.org網(wǎng)站，原文題目(Carbon nanotubes lower the transformation temperature of glassy carbon)來源： 材料科技在線。