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44号展品-纳米疤痕石墨
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一、参赛作品概述

展品名称:纳米疤痕石墨

材料类别:结构陶瓷

创作者名称:林坤鹏

所属学校:海南大学

参赛论文:Nanoburl Graphites

二、展品简介

1、展品简介/创新点: 高性能石墨块体的制备,作者通过研究树干突节强化的机制,设计并制备了独特的“纳米疤痕”结构石墨,在石墨片层和石墨洋葱界面处产生SP3杂化和共价键连接,并因此形成背靠背的赝肖特基结对,实现了“石墨洋葱”在石墨片内的牢固嵌入,从而克服了石墨晶体沿(0002)晶面的易解离性。同时,实现了天然石墨粉在没有任何非碳相引入情况下的低温(1700℃)烧结致密化。所制备石墨块体的抗弯强度是采用传统工艺(在天然石墨粉中引入中间相、沥青等粘结剂,2700℃烧结)所制备石墨块体的5倍。这种通过纳米疤痕强化的方法对其他层状材料的微结构设计具有普遍的指导意义。

2、展品应用领域:中子减速材料、高精度石墨加工材料、石墨模具、耐火材料、耐腐蚀性材料等

3、展品参数:

中文名

纳米疤痕石墨

英文名

Nanoburl Graphites

简称

HPBG

产品形状

黑色块体

体积密度

1.93 g/cm3

显微硬度

0.61GPa

杨氏模量

17GPa

抗弯强度

95.3 MPa

 

 

三、科研笔记

“纳米疤痕石墨”与“劈柴” 

石墨块体问题之所在:

高性能石墨块体由于其具备特殊的高温力学性能、低的热膨胀系数以及良好的导电和导热性,使其在国防工业和特种材料领域扮演着不可或缺的角色。然而由于石墨其本身的层状结构,在外力作用下极易沿(0002)晶面发生解离,使其制品的应用受到了很大限制。另外,由于天然石墨的特殊结构,使其在3000℃超高温条件下都难以实现烧结致密化。许多研究者通过在天然石墨粉中引入中间相沥青等粘结剂实现天然石墨粉的烧结,然而结果是不尽如人意的(其烧结温度通常≥2300℃,抗弯强度<30MPa)。如何实现天然石墨粉的低温烧结,降低层状石墨容易沿(002)晶面解理的特性,已是采用天然石墨粉制备高性能石墨块体所面临的首要问题。

“idea”与解决方案:

     自然界中许多生物材料都具有强韧的力学性能,其优异性能并非源于组分材料,而是得益于精妙的多层级结构。多层级结构是生物材料中普遍存在的一种“设计策略”,通过多个尺度的高度有序结构将有限的组分材料构筑成宏观材料,实现各组分材料的协调与配合,从而赋予生物材料以优异的力学性能。作者通过观察树木突节结构,结合小时候劈柴经验(劈材的时候斧刀往往被卡在树干突节的地方,这里借用著名作家毕淑敏老师的《家是有生命的精灵》作品里的一句话:樵夫上山砍柴,都知道斧刀最难劈入的树瘤,恰是当年树木折断后愈合的地方”),设想如果能把石墨片像树节一样把树的纤维层钉在一起,这样石墨(0002)晶面就不会轻易解理了。作者这里想到了纳米金刚石,纳米金刚石作为石墨的同素异形体,在900℃左右就已经开始向石墨转变,作者通过将微量纳米金刚石粉体引入到天然石墨粉中,在烧结前期加压的过程中一小部分具有尖锐边缘的纳米金刚石颗粒被压入到石墨层内,在烧结后期纳米金刚石颗粒经相转变为纳米石墨洋葱,这些石墨洋葱如同膨胀螺栓一样把石墨片钉在一起,形成独特的纳米疤痕结构,赋予石墨块体杰出的力学性能。作者通过DFT计算和EELS表征均证明了石墨洋葱是嵌入到石墨层的,即形成共价连接,这种独特的纳米疤痕结构不仅对石墨材料有增强作用,对其他层状材料的强化也有一定启发作用。

科研的“苦”与“乐”

     通过反反复复的实验,作者最终发现当金刚石颗粒含量引入20wt%时,其弯曲强度已经超过目前公开报道的最强的商业化石墨块体。然而一个新材料的制备如何让世人知道和认可就是通过发表学术论文。记得这篇文章是2018529日第一次被提交,然而随之而来的却是Nature等各大顶级期刊的“reject”。如何让自己的成果让编辑和审稿人认同,我们如何讲好自己的故事,多少个日日夜夜的奋战,面对审稿人的“百般刁难”,加起来近百页的回信,直到202129日,即大年三十的前两天被告知在《Advanced Materials》期刊上接收。回想起来之前的一切磨难都烟消云散了,经历了那么多,静静地想一想对于传统结构材料在AM期刊上发表确实不易,虽然说有很多心酸吧,但自己也学到了太多太多,对自己的科研能力也提升了很多。最后还要感谢恩师和各位合作老师的指导,您们的科研精神和态度永远影响着和激励着我。

未来展望:

     目前纳米疤痕石墨材料中能够实现的微观结构的精细程度远不及自然界的生物材料,限制了材料性能的进一步提升,为此有必要结合先进制造技术设计出一系列更为精巧且易加工的微观结构,进一步强化和提升人工设计的材料性能。就结构材料而言,想要发表顶级期刊成果,一个是性能,另外一个就是“idea”

 

最后对自己的科研寄语:用心、尽心、专心。

 

 

 

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邮箱:sales@wowmaterials.com

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