Ultrastrong conductive in situ composite composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multilayer graphene

材料科学 石墨烯 原位 钻石 纳米金刚石 复合数 导电体 复合材料 纳米技术 有机化学 化学
作者
Zihe Li,Yujia Wang,Mengdong Ma,Huachun Ma,Wentao Hu,Xiang Zhang,Zewen Zhuge,Shuangshuang Zhang,Kun Luo,Yufei Gao,Lei Sun,Alexander Soldatov,Yingju Wu,Bing Liu,Baozhong Li,Pan Ying,Yang Zhang,Bo Xu,Julong He,Dongli Yu
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:22 (1): 42-49 被引量:86
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01425-9
摘要

Traditional ceramics or metals cannot simultaneously achieve ultrahigh strength and high electrical conductivity. The elemental carbon can form a variety of allotropes with entirely different physical properties, providing versatility for tuning mechanical and electrical properties in a wide range. Here, by precisely controlling the extent of transformation of amorphous carbon into diamond within a narrow temperature–pressure range, we synthesize an in situ composite consisting of ultrafine nanodiamond homogeneously dispersed in disordered multilayer graphene with incoherent interfaces, which demonstrates a Knoop hardness of up to ~53 GPa, a compressive strength of up to ~54 GPa and an electrical conductivity of 670–1,240 S m–1 at room temperature. With atomically resolving interface structures and molecular dynamics simulations, we reveal that amorphous carbon transforms into diamond through a nucleation process via a local rearrangement of carbon atoms and diffusion-driven growth, different from the transformation of graphite into diamond. The complex bonding between the diamond-like and graphite-like components greatly improves the mechanical properties of the composite. This superhard, ultrastrong, conductive elemental carbon composite has comprehensive properties that are superior to those of the known conductive ceramics and C/C composites. The intermediate hybridization state at the interfaces also provides insights into the amorphous-to-crystalline phase transition of carbon.
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