Высокопрочные материалы, сочетающие малый вес и прочность с эластичностью, востребованы в широком спектре применений. Определение оптимального соотношения прочности к весу представляется нелегкой задачей, и, как правило, приходится идти на некоторые компромиссы между различными классами материалов.
- Обычные металлы вязкие, но тяжелые и имеют максимальный предел текучести не более 2 ГПа. Эластичная деформация металлов ограничивается <2% из-за смещения или образования близнецов, когда прилагаемое напряжение достигает критического значения.
- Высокотехнологичная керамика обладает превосходной прочностью на сжатие и твердостью по сравнению с металлами. Например, цементированный карбид вольфрама характеризуется экстремальной прочностью на сжатие до 9 ГПа, но вес приводит к чрезмерному потреблению энергии.
- Легкие соединения, такие как карбид кремния и карбид бора, отличаются низкой плотностью и высокой прочностью. Это предпочтительные материалы для военной брони и аэрокосмических щитов в целях защиты некоторых жизненно важных объектов.
Тем не менее, большая часть керамики выдерживает небольшие упругие деформации (<2%) и подвергается хрупкому разрушению сразу после деформации. Благодаря мартенситным превращениям тонкозернистая керамика может одновременно повышать упругость и прочность. Однако до сих пор основной задачей остается изготовление керамики с оптимальным сочетанием веса, прочности и упругости.
Углерод дает начало замечательным классам материалов с комбинированными свойствами благодаря гибкости для формирования sp1-, sp2- и sp3-гибридных связей:
- малый вес,
- высокая прочность,
- твердость,
- эластичность,
- регулируемые электронные свойства.
Алмаз, состоящий из связей sp3, представляет собой трехмерный (3D) сверхтвердый изолятор, в то время как графен sp2 представляет собой 2D полуметалл Dirac с вне плоскостной гибкостью.
Смешанные углеродные фазы sp2- и sp3-связи имеют преимущества за счет интеграции механических и электрических свойств. При введении локального прогиба sp3 между графеновыми листами методом многократного осаждения образуются твердые и упругие полупроводниковые тонкие пленки аморфного углерода. К сожалению, эти пленки характеризуются остаточными внутренними напряжениями, которые ограничивают их толщину и полезность. В результате желательно синтезировать однородные насыпные формы смешанных sp2-sp3-углеродов с управляемыми микроструктурами и универсальными возможностями.
Наиболее прямым средством синтеза смешанных форм углерода sp2-sp3 считается контролируемое сжатие чистого углерода sp2-sp3. Например, из сжатых фуллеренов можно закалять как высокогибридные алмазоподобные аморфные углеводороды, похожие на графит, так и sp3-гибридные. При этом некоторые из них также обладают высокой твердостью и упругостью восстановления, но с очень низкой прочностью на сжатие от 0,2 до 0,3 ГПа, вероятно из-за неоднородности структуры от разрушения фуллеренов.
Стеклоуглерод.
Стеклоуглерод обладает исключительной удельной прочностью на сжатие - более чем в два раза выше, чем у обычной керамики - и одновременно демонстрирует прочное упругое восстановление при локальных деформациях. Этот тип углерода является оптимальным легким, прочным материалом для широкого спектра многофункциональных применений, и методология синтеза демонстрирует потенциал доступа к совершенно новым метастабильным материалам с исключительными свойствами.
Стеклоуглерод (GC), как типичный неупорядоченный углерод sp2, может быть изготовлен в различных формах с большим разнообразием уникальных свойств материала, включая высокую прочность, низкую плотность, температурную устойчивость в инертном газе до 3000°C и исключительную коррозионную стойкость.
- Стеклоуглерод типа I, получаемый при обжиге полимерных прекурсоров при температурах ниже 2000°C, состоит из фрагментов графенового слоя произвольно распределенного изогнутого типа.
- Стеклоуглерод типа II, изготовленный при температурах выше 2500°C, содержит самосборные фуллереноподобные сфероиды нанометрового размера, рассеянные внутри и соединенные трехмерной неупорядоченной многослойной графеновой матрицей.
Во время холодного сжатия типа I до 44,4 ГПа синхротронная рамановская рентгеновская спектроскопия выявляет постоянное изменение связи sp2-sp3, вызванное давлением. Переход, как представляется, обратим при сбросе давления, с тем чтобы углерод холодного сжатия не охлаждался до атмосферного давления. При перегреве и давлении выше 15 ГПа получаются сверхтвердые нанокристаллические алмазы.
Таким образом, существует пробел в синтезе извлекаемых sp2-sp3-углеродов из углеродной конверсии и для дальнейшего изучения подходящих синтетических условий. Кроме того, хорошо известно, что предшественники углерода sp2 с различными кристаллическими структурами под действием кинетических факторов будут подвергаться отчетливым фазовым переходам под давлением. Фазовые диаграммы становятся сложными, например, переходы типичных графитов и фуллеренов. Поэтому необходимо начать всесторонний поиск метастабильных фазовых переходов различных углеродных прекурсоров под давлением, поскольку это может выявить ключевые моменты для производства новых углеродных аллотропов с беспрецедентными свойствами.
Класс смешанных компрессорных углеродов sp2-sp3 сочетает различные характеристики в одном материале, включая исключительную удельную прочность на сжатие, высокую твердость, упругость и эластичность при вдавливании, электропроводность для потенциальных применений. В неупорядоченном массиве сжатых стеклоуглеродов домены упорядоченных взаимопроникающих графе новых плоскостей образовывают локальные решетки с открытыми порами в масштабе нескольких ангстрем, представляющие собой класс углеродных аллотропов с переменными структурами и свойствами. Изучаются некоторые возможные структуры со специфическим электронным поведением, такие как анизотропный Дирак и классические фермионы, петли и точки типа Вейля и полупроводниковое поведение или свойства полуметаллических узловых линий. Это дает сильную мотивацию теоретикам и экспериментаторам продолжать класс сшитых графеновых конфигураций.