石墨到金刚石直接转变理论的新突破

关键词 石墨 , 金刚石|2022-07-29 10:07:11|来源 中国超硬材料网
摘要 人造金刚石生长机理由于在高温高压下检测困难的限制,我们不能直观的了解其变化过程,所以其机理都是由研究者根据晶体的一般规律推理出来的,并且有很多种说法,其中最主要的理论模型包括两类:...

人造金刚石生长机理由于在高温高压下检测困难的限制,我们不能直观的了解其变化过程,所以其机理都是由研究者根据晶体的一般规律推理出来的,并且有很多种说法,其中最主要的理论模型包括两类:一类是不破键观点(无扩散,直接转变观点),包括固相转化说和结构转化说;另一类是破键观点(溶解、扩散观点),包括溶剂说、催化剂说、溶剂一催化剂说等。每一种学说都能解释一部分实验现象,然而都不完美,所有机理都是推测,没有定论。

       由于碳能够通过杂化轨道形成各种键,所以碳有许多同素异形体。在所有的同素异形体中,石墨和金刚石是最普遍的(分别具有sp2和sp3杂化),并且已经被人类广泛利用了几千年。虽然两者都存在于自然界,但是直到上世纪中叶,由石墨合成金刚石才获得成功。从石墨到金刚石的转变可以在不同的合成条件下进行,例如高压高温(HPHT)、有无催化剂、爆炸冲击以及剧烈剪切变形下的低温压缩等。随着生产实验的开展,石墨到金刚石的转变的理论研究仍然是一个重大的课题。

       前不久,燕山大学田永君院士团队赵智胜等人与国内外学者合作,在静高压下部分相变的石墨样品中首次观察并确定了石墨和金刚石之间的共格界面结构,进而阐明了静高压下石墨-金刚石相变机理:石墨层通过两种菱形结构基元和两种矩形结构基元局部键合形成共格界面,通过共格界面向石墨区域的推进,实现石墨到金刚石的转变。结构基元的不同组合形成了变化多样的共格界面结构,导致在金刚石相变区域形成了丰富的亚结构,如层错、孪晶、金刚石多形体等。这种全新的固-固相变机制不同于经典的成核生长和协同切变机制,并可能适用于其他的共价材料,如IVA族单质、IIIA-VA化合物等的固-固相变过程。

       这一研究成果阐明了静高压下石墨到金刚石直接相变这一难题,同时发现了一类具有优异性能组合的新型杂交碳材料。研究成果以“共格界面控制从石墨到金刚石的直接转变(Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond)”为题,于2022年7月6日在线发表于《自然》杂志。   

微信截图_20220729091434.png            

     在这项研究中,作者用最先进的扫描透射电子显微镜(STEM)研究了静态HPHT条件下处理的石墨产物。部分转化的样品的特征在于通过共格界面互锁的石墨和金刚石纳米域。层间距集中在约3.1 Å的石墨畴与具有大量堆垛层错的金刚石畴紧密相连。原子分辨率的高角度环形暗场(HAADF) STEM观测揭示了构成石墨-金刚石界面的四种基本结构图案。理论计算表明,这是一个渐进的石墨-金刚石转变过程,其特征是石墨-金刚石界面的形成和随后金刚石生长界面的推进,这与原子级分辨的界面结构以及原位STEM观察到的界面扩展相一致。这项工作澄清了长期以来对研究者的困惑,第一次成功的静态合成了金刚石。

微信截图_20220729091451.png

       图a表示出了从15GPa和1200 ℃至2000 ℃的温度下恢复的部分转化样品的选定XRD图,以及原始石墨,(00l)峰表示其优异的结晶度。经过HPHT处理后,主要衍射峰与之前在中温压缩石墨中观察到的峰一致,其中不属于CD(立方金刚石)的峰归因于所谓的压缩石墨(3.1 Å和1.55 Å)和HD (六方金刚石)(2.17Å和1.16Å)。然而,这种分配是有争议的。随着合成温度的升高,在相同的加热时间下,CD衍射峰的强度增加,而其他峰逐渐减弱。基于XRD测量构建动力学相图,如图b所示。石墨在低温(T﹤900℃)和低压(P﹤10 GPa)区域保持不变。高于900℃和10GPa时,出现多相区(橙色区域),其中CD与其他亚稳态碳相(如压缩石墨)共存。在足够高的温度和压力下,恢复的样品主要是CD(浅蓝色区域)。

       理解从石墨到金刚石的直接转变是一个长期的挑战,具有重大的科学和实践意义。先前提出的转化机制基于缺乏原子级分辨率的传统实验观察,无法解释转化过程中石墨-金刚石界面出现的复杂纳米结构。燕山大学教授们报道了在静态压缩恢复的部分转化石墨样品中,使用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜,鉴定出由四个基本结构基序组成的石墨-金刚石界面。这些观察为可能的转化途径提供了见解。理论计算证实,与以前提出的其他途径相比,通过这些相干界面的转化在能量上更有利。石墨到金刚石的转变是由纳米级共格界面的形成(金刚石成核)控制的,在静态压缩下,该界面会消耗剩余的石墨(金刚石生长)。这些结果也可能对其它碳材料和氮化硼在不同合成条件下的转变机理有所启发。

       在静态压缩下从石墨到金刚石的转变发生在两个阶段,即共格gradia界面的形成(金刚石成核)和随后界面的推进(金刚石生长)。在这项工作中阐明的转化机制可以作为氮化硼和其他碳材料在高压下的转化提供理论指导。除了转变机制之外,观察到的Gradia标志着在金刚石相关材料的纳米结构和性能方面迈出了一大步,并提供了机械和电子性能组合的机会,例如同时具有超硬度、高韧性和导电性等。

  ① 凡本网注明"来源:金刚石刀具网"的所有作品,均为河南远发信息技术有限公司合法拥有版权或有权使用的作品,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明"来源:金刚石刀具网"。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。
② 凡本网注明"来源:XXX(非金刚石刀具网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
③ 如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在30日内进行。
※ 联系电话:0371-67667020

延伸推荐

金刚石与立方氮化硼(CBN)如何选择?一文终结你的选择困难

金刚石与立方氮化硼(CBN)如何选择?一文终结你的选择困难

​在机械加工领域,金刚石(PCD)和立方氮化硼(CBN)被誉为“超硬材料双雄”。它们凭借卓越的硬度和耐磨性,成为高难度加工任务的利器。然而,两者的性能特...

日期 2025-04-03   刀具新闻
黄河旋风,金刚石全产业链再落子

黄河旋风,金刚石全产业链再落子

​近日,河南黄河旋风股份有限公司(以下简称:黄河旋风)公告称,公司根据公司战略发展需要,拟以自有资金1000万元投资设立全资子公司莲熠钻石(河南)有限公...

日期 2025-04-03   刀具新闻
金刚石线的用途有哪些?金刚石线的市场前景如何?

金刚石线的用途有哪些?金刚石线的市场前景如何?

金刚石线在众多领域发挥着重要作用。在光伏领域,它是硅片切割的关键工具。传统的切割方式存在效率低、精度差等问题,而金刚石线切割技术能够大幅提高硅片的生产效...

日期 2025-04-03   刀具新闻
金刚石芯片,首次演示

金刚石芯片,首次演示

​日本产业技术综合研究所(AIST)与本田技术研究院合作,制造了p型金刚石MOSFET原型,并首次演示了安培级高速开关操作。未来,该公司计划将该技术搭载...

日期 2025-04-03   刀具新闻
 国机精工拟投建功能性金刚石材料项目

国机精工拟投建功能性金刚石材料项目

3月25日,国机精工公告其下属公司国机金刚石(河南)有限公司计划在新疆哈密市成立国机金刚石晶源创科(新疆)有限公司,并启动功能性金刚石材料中试及产业化项...

日期 2025-04-03   刀具新闻
金刚石行业中的专业术语解析:粒径、目数及其换算关系

金刚石行业中的专业术语解析:粒径、目数及其换算关系

​在金刚石行业(尤其是磨料、超硬材料领域),粒径和目数是两个核心参数,直接影响材料的加工性能和应用效果。此外,粒度分布及相关参数(如D10、D50、D9...

日期 2025-03-28   刀具新闻
新锋科技:一块金刚石的突围

新锋科技:一块金刚石的突围

“从美学来看,金刚石可以用来做钻石;从金刚石本身的物理化学性质来看,它在热学、声学、光学、电学等方面具有卓越的特性,因而又被誉为‘材料之王’‘终极半导体...

日期 2025-03-28   刀具新闻
湖北攀峰钻石科技取得金刚石均布的锯片结构专利,能够保证切割效果

湖北攀峰钻石科技取得金刚石均布的锯片结构专利,能够保证切割效果

本实用新型提供一种金刚石均布的锯片结构,包括基体,所述基体的周侧装设有多个金刚石刀头,金刚石刀头上装设有多个金刚石颗粒,基体内装设有多个散热片,基体的周...

日期 2025-03-28   刀具新闻
金刚石:手术机器人背后的“超级英雄”

金刚石:手术机器人背后的“超级英雄”

​你能想象一台机器人精准操刀,完成高难度手术的场景吗?如今,这一科幻般的画面已逐渐成为现实。手术机器人正以其超乎想象的精确度,为患者带来更高质量的医疗服...

日期 2025-03-28   刀具新闻
郑州华晶金刚石与精工锐意开展合作交流

郑州华晶金刚石与精工锐意开展合作交流

​3月11日,郑州华晶金刚石股份有限公司(下称郑州华晶)总经理李克华与来访的精工锐意科技(河南)有限公司(下称精工锐意)董事张霖一行开展技术交流.......

日期 2025-03-14   刀具新闻