新型碳結(jié)構(gòu)及其性能的理論與實驗研究.pdf

1、本論文對新型的碳結(jié)構(gòu)及其性能進行了理論和實驗兩個方面的研究。采用基于第一性原理的結(jié)構(gòu)搜索軟件CALYPSO、USPEX以及原子替換方法進行新型碳結(jié)構(gòu)的搜索、預(yù)測，計算其可能具有的電子性質(zhì)、機械性質(zhì)等，提出可能的合成路徑，來指導(dǎo)實驗合成并解釋實驗現(xiàn)象。采用高溫高壓手段(Rockland Research T25壓機)，以高純玻璃碳為原料，探索其在極端條件下的相變規(guī)律，合成新型碳材料，并測試其物理、化學(xué)、機械等性能。
　　預(yù)測了石墨炔

2、聚合物、石墨二炔聚合物和金剛石炔三類結(jié)構(gòu)。由于石墨炔結(jié)構(gòu)的多樣性和相變過程的多樣性，我們得到多種具有不同密度的石墨炔聚合物，其表現(xiàn)出或金屬性或半導(dǎo)體性。由于石墨二炔相變中變形、成鍵的復(fù)雜性，我們得到多種可能在實驗上共存的石墨二炔聚合物，它們具有金屬性、窄的直接或準(zhǔn)直接帶隙。石墨炔和石墨二炔聚合物具有高的硬度、楊氏模量、孔隙率等優(yōu)良特性。在金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中插入–C≡C–可以得到金剛石炔，它們表現(xiàn)出二維導(dǎo)電的半金屬性、超高的硬度、高的抗拉

3、強度和彈性模量等特性。
　　預(yù)測了三類新型sp2雜化的碳結(jié)構(gòu)，明確了其不同于石墨的性能。第一類通過共價連接平行堆疊的石墨烯納米帶構(gòu)成，是目前為止除石墨以外能量最低的三維sp2雜化的碳結(jié)構(gòu)，具有類似橡膠的拉伸特性，其最大拉伸應(yīng)變是金剛石的13倍，石墨烯的7倍。第二類是通過共價連接垂直排列的石墨烯納米帶得到的，具有超導(dǎo)特性。指出了從石墨烯納米帶合成兩類結(jié)構(gòu)的方法。第三類是雙原子層厚的二維類石墨烯結(jié)構(gòu)，屬于具有間接帶隙的半導(dǎo)體。

4、　　通過模擬高壓試驗，系統(tǒng)的研究了碳納米管在高壓下的相變機制，明確了其相變受到納米管的自身特點(管壁數(shù)、直徑、手性、堆疊方式)及外界壓力作用(等靜壓、非等靜壓)的共同影響，得到的納米管聚合物具有可調(diào)的導(dǎo)電性、高硬度/超硬、高楊氏模量等特性。
　　研究了兩類立方碳結(jié)構(gòu)。第一類由籠型結(jié)構(gòu)搭建而成，具有半導(dǎo)體性質(zhì)。它們的密度較低，其中密度最小的fcc-C10的密度與C60相當(dāng)，而密度最大的fcc-C32的密度略高于石墨。fcc-C32屬

5、于超硬材料，維氏硬度高達(dá)79.9GPa，fcc-C10屬于韌性材料。第二類是通過碳三角形連接而成，其C-C具有“彎曲鍵”的特性，因而具有金屬性。采用Cohen等人提出的立方碳bcc C6結(jié)構(gòu)解釋了實驗合成的所謂“超密碳”，并指出該“超密碳”并不存在，其密度只有金剛石的83％。
　　以玻璃碳為原料，在高壓(25GPa)和高溫(400°C、600°C、800°C、1000°C)的條件下合成了一類具有低密度、高硬度、高比強度、高彈性恢復(fù)