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研究背景

传统金属具有优异的导电性，但屈服强度通常低于2?GPa；与大多数陶瓷和碳材料相比，它们在相对较高的温度下变得柔软。陶瓷通常具有优异的强度/硬度、耐磨性和高温稳定性，但大多数是绝缘体，可以通过掺杂或添加导电第二相而导电（包括金属和碳材料，如石墨烯、纳米管和纳米纤维等）。然而，由于陶瓷中掺杂剂的扩散率低，导致掺杂浓度受到限制。相比于单相陶瓷，导电陶瓷复合材料的强度、硬度和耐刮擦性都较低，且由于基体和第二相之间的弱异质界面导致热稳定性较低。因此，传统的陶瓷或金属不能同时实现超高强度和高电导率。

元素碳的独特之处在于其形成sp、sp2和sp3键的灵活性，从而形成了具有完全不同物理性质的各种同素异形体，从柔软的导电石墨到超硬的绝缘金刚石。以混合杂化状态形成的碳有望整合每种单一杂化状态的优点，并具有多种机械和电学性能。通过碳质前体的多次沉积技术或通过压力诱导的sp2碳材料（如富勒烯和玻璃碳GC）的相变，制备了各种sp2–sp3混合非晶碳材料。富勒烯C60在加热加压过程中经历晶体到非晶和非晶到非晶的转变，并在转变成金刚石之前转变成不同尺寸、不同非晶相的C60聚合物。同样，GC在不同压力温度条件下经历非晶到非晶和非晶到金刚石的转变。这是因为碳具有复杂的能级相图，并且由于优选的动力学转变，可以形成具有局部能量最小值的亚稳态相。因此，通过改变温度和压力来控制高能前驱体的相变，有望获得独特的亚稳态相或多相复合材料。

两种或多种碳材料的直接组合是产生优异材料性能的一种策略。传统的C/C复合材料，如碳纤维增强热解碳，由具有多种微观结构的sp2杂化碳材料制成，从无序、石墨化较差的碎片到定向、高度石墨化的微晶，已广泛应用于航天飞机、汽车工业和生物医学设备。这些C/C复合材料具有～?MPa的拉伸强度和2.0～5.9×?S·m–1的电导率，但由于组分内/之间的范德华键较弱，几乎不可能进一步提高其机械性能。通过引入超强组分以实现组分界面之间的强共价键结合，可大大提高C/C复合材料的综合力学性能。然而，这不可行，因为很难用化学方法在金刚石和其他碳材料之间建立牢固的界面连接。

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研究成果

燕山大学赵智胜、田永君，丹麦奥尔堡大学岳远征和清华大学李晓雁等人通过在狭窄的温度-压力范围内精确控制非晶碳转化为金刚石的程度，合成了一种独特的C/C复合材料。该复合材料由无序多层石墨烯（DMG）和纳米金刚石（ND）组成，两相主要通过非相干界面相互连接，实现了超高硬度和强度以及优异的导电性的组合，其在室温下努氏硬度约53?GPa，抗压强度约54?GPa和电导率为～?S·m–1。

通过原子解析界面结构和分子动力学模拟，发现非晶碳通过碳原子的局部重排和扩散驱动生长的成核过程转变为金刚石，该过程不同于石墨向金刚石的转变。类金刚石和类石墨组分之间的复合极大地提高了复合材料的机械性能。这种超硬、超强、导电的元素碳复合材料所具有的性能，优于已知导电陶瓷和C/C复合材料。界面处的中间杂交状态还为碳的无定形到结晶相变提供了见解。

相关研究工作以“Ultrastrongconductiveinsitu

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