研究背景

高强石墨材料是一种极为重要的战略性基础材料，因具有自润滑性、易成型加工、良好的导热导电性和热稳定性以及化学稳定性等优点，并且能够在非氧化性环境中承受3000℃左右的高温，因此可以作为在高温、高压等极端条件下使用的关键材料，已经被广泛应用在冶金、机械、电气、石油化工、半导体、核能和航空航天、国防等领域。

目前，高强石墨的制备一般以石油焦或沥青焦为主要原料，采用树脂为粘结剂，首先在软化点温度以上进行混合，然后经过冷等静压成型，随后在700~1200°C反复浸渍-重新碳化，最后在2500~3000°C进行石墨化得到最终产品，制备周期在60天以上，所以制备过程存在巨大的能源消耗和环境污染问题。由于石墨优异的高温稳定性和极低的表面蒸气压，即使在2000℃以上的高温也很难实现石墨粉的烧结致密化，所以高强石墨的低温烧结制备技术尚未实现。介孔碳 (Ordered Mesoporous Carbon, OMC) 材料是一类孔径介于2 ~ 50 nm之间，孔道结构排列有序，且具有较高比表面积的多孔碳材料，在催化、能量存贮与转换、吸附与分离等领域受到研究者的广泛关注，但是作为一种具有高烧结活性的原料粉体并未受到研究者的关注。

内容简介

近日，东华大学江莞教授团队选择介孔碳为原料，同时引入纳米金刚石 (Nanodiamond，ND) 作为烧结助剂，利用SPS技术在1800°C低温条件下实现了烧结致密化。低温烧结致密化可以归因于以下几个方面：介孔碳大的比表面积；烧结过程中孔道结构坍塌原位产生烧结驱动力；纳米金刚石相变成洋葱石墨发生体积膨胀原位产生烧结压力。上述因素的共同作用，极大地促进了烧结致密化过程，实现了介孔碳的低温烧结。

研究结果表明纯介孔碳块体样品由其坍塌后产生的纳米石墨碎片烧结致密而成，当纳米金刚石加入后，金刚石在烧结过程中会相变成洋葱石墨，洋葱石墨外层的碳原子在相变过程中被激活，与介孔碳坍塌形成的纳米碎片紧密结合，形成了强的界面键合作用，产生了强界面，这种强界面可以有效地传递应力并显著提高平均弹性模量，从而提升样品性能，得到高强度的石墨材料。当纳米金刚石添加量为30 wt.%时，样品性能最好，其密度、硬度、杨氏模量和抗弯强度分别达到了1.80 g/cm3、0.8 GPa、18.5 GPa和80 MPa，性能优于国际公认的高强石墨材料ISO-68和EDM-4。而当引入过量的纳米金刚石后，因无法形成更多的强界面，反而导致样品力学性能下降。本研究为高强石墨材料的制备提供了一种新型的低温烧结制备工艺，也为难烧结材料的制备提供了新的思路。