研究背景

高強(qiáng)石墨材料是一種極為重要的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)材料，因具有自潤(rùn)滑性、易成型加工、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠在非氧化性環(huán)境中承受3000℃左右的高溫，因此可以作為在高溫、高壓等極端條件下使用的關(guān)鍵材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在冶金、機(jī)械、電氣、石油化工、半導(dǎo)體、核能和航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域。

目前，高強(qiáng)石墨的制備一般以石油焦或?yàn)r青焦為主要原料，采用樹脂為粘結(jié)劑，首先在軟化點(diǎn)溫度以上進(jìn)行混合，然后經(jīng)過冷等靜壓成型，隨后在700~1200°C反復(fù)浸漬-重新碳化，最后在2500~3000°C進(jìn)行石墨化得到最終產(chǎn)品，制備周期在60天以上，所以制備過程存在巨大的能源消耗和環(huán)境污染問題。由于石墨優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和極低的表面蒸氣壓，即使在2000℃以上的高溫也很難實(shí)現(xiàn)石墨粉的燒結(jié)致密化，所以高強(qiáng)石墨的低溫?zé)Y(jié)制備技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)。介孔碳 (Ordered Mesoporous Carbon, OMC) 材料是一類孔徑介于2 ~ 50 nm之間，孔道結(jié)構(gòu)排列有序，且具有較高比表面積的多孔碳材料，在催化、能量存貯與轉(zhuǎn)換、吸附與分離等領(lǐng)域受到研究者的廣泛關(guān)注，但是作為一種具有高燒結(jié)活性的原料粉體并未受到研究者的關(guān)注。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

近日，東華大學(xué)江莞教授團(tuán)隊(duì)選擇介孔碳為原料，同時(shí)引入納米金剛石 (Nanodiamond，ND) 作為燒結(jié)助劑，利用SPS技術(shù)在1800°C低溫條件下實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)致密化。低溫?zé)Y(jié)致密化可以歸因于以下幾個(gè)方面：介孔碳大的比表面積；燒結(jié)過程中孔道結(jié)構(gòu)坍塌原位產(chǎn)生燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力；納米金剛石相變成洋蔥石墨發(fā)生體積膨脹原位產(chǎn)生燒結(jié)壓力。上述因素的共同作用，極大地促進(jìn)了燒結(jié)致密化過程，實(shí)現(xiàn)了介孔碳的低溫?zé)Y(jié)。

研究結(jié)果表明純介孔碳?jí)K體樣品由其坍塌后產(chǎn)生的納米石墨碎片燒結(jié)致密而成，當(dāng)納米金剛石加入后，金剛石在燒結(jié)過程中會(huì)相變成洋蔥石墨，洋蔥石墨外層的碳原子在相變過程中被激活，與介孔碳坍塌形成的納米碎片緊密結(jié)合，形成了強(qiáng)的界面鍵合作用，產(chǎn)生了強(qiáng)界面，這種強(qiáng)界面可以有效地傳遞應(yīng)力并顯著提高平均彈性模量，從而提升樣品性能，得到高強(qiáng)度的石墨材料。當(dāng)納米金剛石添加量為30 wt.%時(shí)，樣品性能最好，其密度、硬度、楊氏模量和抗彎強(qiáng)度分別達(dá)到了1.80 g/cm3、0.8 GPa、18.5 GPa和80 MPa，性能優(yōu)于國(guó)際公認(rèn)的高強(qiáng)石墨材料ISO-68和EDM-4。而當(dāng)引入過量的納米金剛石后，因無法形成更多的強(qiáng)界面，反而導(dǎo)致樣品力學(xué)性能下降。本研究為高強(qiáng)石墨材料的制備提供了一種新型的低溫?zé)Y(jié)制備工藝，也為難燒結(jié)材料的制備提供了新的思路。