一种毫米级sp3非晶碳块材及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种毫米级sp3非晶碳块材及其制备方法。所述方法包括以下步骤：将C

【技术实现步骤摘要】
一种毫米级sp3非晶碳块材及其制备方法


[0001]本专利技术属于新型碳材料高温高压制备的
具体涉及一种毫米级高sp3含量的非晶碳块材，以及一种利用大腔体压机对此sp3非晶碳块材进行合成的方法。

技术介绍

[0002]生活中常见的玻璃、橡胶、塑料等物质都属于非晶材料，其内部原子没有长程的周期性排列。由于原子的无规则排列，非晶材料可展现出不同于相应晶体的独特性质，如各向同性、无确定熔点等特性，非晶的结构表征以及结构与物性之间的关联一直是人们非常感兴趣但又是极具挑战的课题。探索合成新型的具有优异性能非晶态材料一直是科研人员的目标。
[0003]碳元素是自然界中最丰富的元素之一，具有独特的成键能力，碳原子外层电子所占据的轨道可以发生多种形式的杂化，形成sp、sp2、sp3杂化键，因而可形成多种结构和性质迥异的同素异形体，包括sp2的石墨、石墨烯、碳纳米管，sp3的金刚石、V碳等。相比之下，非晶碳目前则只有sp2杂化如玻璃碳，以及sp2和sp3成键状态混合的非晶碳，如类金刚石碳膜、四方碳等，但这些具有sp2与sp3混合杂化的非晶碳主要以薄膜形式被合成出来，且其中大部分含氢(sp3最高含量85
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88％)。能不能制备出像金刚石一样具有100％sp3杂化键的块体非晶碳一直是人类的梦想，其结构和性质也非常值得期待。
[0004]晶体与非晶体之间在一定条件下可以相互转化。例如，把石英晶体熔化并迅速冷却，可以得到石英玻璃。将非晶半导体物质在一定温度下热处理，可以得到相应的晶体。然而这个方法却无法实现sp3非晶碳的制备，因为全sp3键合结构的金刚石具有极高的熔点，且在高温下通常发生石墨化转变，无法得到sp3的非晶碳。
[0005]从拓扑结构转变上考虑，含奇数碳环(如5、7元碳环)的碳结构是探索非晶碳的理想前驱体。高温高压处理C
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就是一个很好的例子，早期俄罗斯科学家Blank教授等人从富勒烯C
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出发(一种以sp2为主的足球状碳分子)，在13GPa，900
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1830K的高温高压条件下制备出sp3富集的块体黑色非晶碳，具有极高的硬度(ultrahard)，可在金刚石上划出划痕，这些非晶碳还具有半导体至半金属性的导电特性，但该非晶碳的结构模型仍有较大争议。同期，日本科学家Hirai教授等人利用富勒烯C
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在动高压条件下(55GPa，2000K)下合成出透明的非晶碳(称为非晶金刚石)。最近利用金刚石对顶砧压机，以玻璃碳为碳源在50GPa约1800K的条件下合成出了透明非晶碳。但这两种方法合成的样品尺寸太小都为微米级(几
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几十微米)，使得这些材料的结构和性质表征受到很大限制。

技术实现思路

[0006]基于以上背景中关于非晶碳样品尺寸小，sp3含量低，结构与性能研究不充分，以及块体sp3非晶碳的合成技术受限等科学问题，本专利技术提供了一种毫米级高sp3含量的非晶碳块材，以及利用先进的大腔体压机技术在高温高压条件下对此大尺寸(毫米级)高质量透明sp3非晶碳块材进行合成的方法，并且通过改变合成条件，还提供了一种调控块体非晶碳
中sp3含量、力学、光学、热学性能的方法。
[0007]本专利技术的具体技术方案如下：
[0008]一种毫米级sp3非晶碳块材的制备方法，所述方法包括以下步骤：将C
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粉末在450～1100℃、优选700～1000℃、更优选900～1000℃、最优选1000℃的温度下，以及在20～37GPa、优选20～30GPa、最优选27GPa的压力下，进行高温高压处理，以得到毫米级sp3非晶碳块材。
[0009]在一个实施方式中，所述压力为大于等于20GPa且小于37GPa。
[0010]在一个实施方式中，所述高温高压处理在大腔体压机中进行，优选地，将所述C
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粉末封装到金属Re样品仓中以进行所述高温高压处理的步骤。
[0011]在一个实施方式中，所述方法还包括对所述C
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粉末进行热处理以将其干燥的步骤，优选地，所述热处理的温度为80～150℃和所述热处理的时间为2
‑
4小时。
[0012]在一个实施方式中，所述方法还包括：在7
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10小时的时间内将所述C
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粉末加压至所述压力和使用铼管加温至所述温度。
[0013]在一个实施方式中，所述方法还包括将高温高压处理后的样品保温保压的步骤，优选地，所述保温保压的时间为1
‑
2小时。
[0014]在一个实施方式中，所述方法还包括将高温高压处理后的样品降温并卸压的步骤，优选地，将所述样品通过立即淬火降温至室温和将所述样品在14
‑
20小时的时间内卸压至常压。
[0015]在一个实施方式中，所述方法还包括在丙酮中超声洗涤处理后的样品和使用金刚石研磨盘对处理后的样品进行抛光，以获得纯净的非晶碳块材。
[0016]在一个实施方式中，所述方法中使用的C
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粉末的质量纯度大于等于99.9％。
[0017]在一个实施方式中，根据本专利技术的方法所得到的sp3非晶碳块材的sp3含量可以大于80％，优选在83.3％至95.1％的范围内。
[0018]在一个实施方式中，根据本专利技术的方法所得到的sp3非晶碳块材的光学带隙范围可以为1.90
‑
2.79eV。
[0019]在一个实施方式中，根据本专利技术的方法所得到的sp3非晶碳块材的热导率范围可以为18
‑
26W/mK。
[0020]在一个实施方式中，根据本专利技术的方法所得到的sp3非晶碳块材的维氏硬度范围可以为95
‑
102GPa。
[0021]在一个实施方式中，所述方法包括以下步骤：
[0022]步骤一：将C
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粉末在80
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150℃的温度下热处理2
‑
4小时以使其干燥；
[0023]步骤二：将步骤一热处理后的C
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粉末封装到金属Re样品仓中，放入大腔体压机高温高压装置，在温度范围为700～1000℃的温度下,压力范围为20～37GPa的压力下，进行高温高压处理，保温保压1
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2小时，随后立即淬火至室温，并缓慢卸压至常压取出样品；
[0024]步骤三：将取出的样品在丙酮中超声洗涤，然后使用金刚石研磨盘进行抛光处理，以获得纯净的sp3非晶碳块材。
[0025]在一个实施方式中，提供了一种可以根据本专利技术的方法制备的半透明或透明的毫米级sp3非晶碳块材，所述sp3非晶碳块材的sp3含量可以大于80％，优选在83.3～95.1％的范围内；光学带隙范围可以为1.90
‑
2.79eV；热导率范围可以为18
‑
26W/mK；维氏硬度范围可
以为95...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米级sp3非晶碳块材的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将C
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粉末在450～1100℃、优选700～1000℃、更优选900～1000℃、最优选1000℃的温度下，以及在20～37GPa、优选20～30GPa、最优选27GPa的压力下，进行高温高压处理，以得到所述毫米级sp3非晶碳块材。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述高温高压处理在大腔体压机中进行，优选地，将所述C
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粉末封装到金属Re样品仓中以进行所述高温高压处理的步骤。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述C
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粉末进行热处理以将其干燥的步骤，优选地，所述热处理的温度为80～150℃和所述热处理的时间为2
‑
4小时。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在7
‑
10小时的时间内将所述C
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粉末加压至所述压力和使用铼管加温至所述温度。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将高温高压处理后的样品保温保压的步骤，优选地，所述保温保压的时间为1
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2小时。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将高温高压处理后的样品降温并卸压的步骤，优选地，将所述样品通过立即淬火降温至室温和将所述样品在14
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20小时的时间内卸压至常压。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在丙酮中超声洗涤处理后的样品和使用金刚石研磨盘对处理后的样品进行抛光，以获得纯净的非晶碳块材。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述C
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粉末的质量纯度大于等于99.9％。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述sp3非晶碳块材的sp3含量大于80％，优选在83.3％至95.1％的范围内。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述sp3非晶碳块材...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冰冰，姚明光，尚宇琛，刘兆东，董家君，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：