CN106622034A - 一种实现c60低温聚合和快速非晶化的高压技术 - Google Patents

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张晓冬
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Abstract

本发明公开了一种实现C60低温聚合和快速非晶化的高压技术，其包括以下步骤：1)将C60样品和压力标定物Au颗粒装入样品腔内；2)调节金刚石对顶砧压机上的加压螺丝给C60样品施加2.0GPa以上的初始压力；3)缓慢旋转压机的上基座，上基座带动金刚石相对于另外一个金刚石转动；4)原位测试C60和Au的X射线衍射谱，记录C60的低温聚合和非晶化进程。本发明的方法能够制备出具有理想结构的超硬碳材料，制备成本低，样品纯度高，能够有效控制C60材料的相变路径。

Description

一种实现C60低温聚合和快速非晶化的高压技术
技术领域
本发明涉及一种实现C60低温聚合和快速非晶化的高压技术。
背景技术
在碳材料家族中，富勒烯碳60（C60，又名富勒烯球）分子内部原子以碳-碳单键相连，被专家预测具有极高的体积模量B0，约为800-900GPa，这一数值远超过金刚石的体积模量442GPa。然而，在常温常压下，C60分子之间以范德华力相连，形成柔软的固体材料，其体积模量仅为10GPa。为了实现极度坚硬的碳材料的结构设计，一种办法就是打开C60中的碳-碳双键，使得C60之间相互聚合，形成三维的富勒烯聚合物，从而实现超硬的碳结构。目前，一般采用高温高压的技术实现C60分子之间的一维和二维聚合。该技术即为：首先对C60施加一定的压力，然后对样品进行加热，在合适的压力和温度下，C60分子之间相继发生一维和二维发生聚合。目前尚未有研究表明得到C60分子之间的三维聚合。在该技术中，温度是促使C60聚合的关键因素。在室温下，仅对C60样品施加压力，并不能使得C60发生相互聚合。现有研究表明，在金刚石对顶砧压腔中当压力达到34 GPa时，C60分子直接碎掉，而不会在压力升高的过程中发生分子间的聚合。
目前，高温高压技术是实现C60分子间聚合的主要技术。王素芹、于尧在《原子与分子物理学报》发表的题为“R相C60聚合物的磁性研究”公开：在一组高温高压的条件下，合成了C60聚合物，经过X射线衍射(XRD)的表征，证实了样品结构为菱形(R)、四方(T)和正交(O)；13C核磁共振(NMR)谱表明了C60球之间sp3键的形成，退卷积计算表明R相C60聚合物纯度～95％。另外有学者在高温高压条件下利用高压合成装置合成了二维R相C60聚合物，并利用X射线衍射(XRD)和超量子干涉(SQUID)对合成的样品进行了研究。X射线衍射(XRD)数据表明,在6 Gpa压力和700℃-725℃的温度条件下合成的聚合物为纯度较高的二维R相C60聚合物，当温度升高至800℃时,富勒烯的笼状结构塌陷,样品全部变为无定形碳结构。但是上述方法会存在以下缺点：升温会导致传压介质的分解，从而给C60样品引入杂质；采用加热或者光照等给样品升温，均需要增加额外的能量，成本高。
另外，有学者利用1.064μｍ基频超短脉冲激光，使用光学二次谐波方法研究了超高真空中蒸镀在多晶银表面上的C60薄膜紫外光照射下的光聚合现象，发现聚合以后的C60二阶非线性响应增强，同时观察到光聚合的饱和效应，但是这种方法仅能实现C60薄膜材料的聚合。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种实现C60低温聚合和快速非晶化的高压技术，能够在室温下实现C60分子间的相互聚合，实现C60在较低压力下的快速非晶化。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种实现C60低温聚合和快速非晶化的高压技术，其包括以下步骤：
1)将C60样品和压力标定物Au颗粒装入样品腔内；
2)调节金刚石对顶砧压机上的加压螺丝给C60样品施加2.0GPa以上的初始压力；
3)缓慢旋转压机的上基座，上基座带动金刚石相对于另外一个金刚石转动；
4)原位测试C60和Au的X射线衍射谱，记录C60的低温聚合和非晶化进程。
进一步地，在步骤1)中，金刚石压砧砧面直径为400微米；采用的垫片为铼片；样品腔的直径为100微米，高度为50微米；C60和Au均为分析纯。
进一步地，在步骤3)中，旋转角度每增加12.5度时停下采集样品的X射线衍射谱信号。
本发明所达到的有益效果是：
本发明采用旋转金刚石对顶砧技术，在对C60样品施加压力的同时，对样品施加横向剪切力。对顶砧相对旋转形成的剪切力引起C60内部的剪切应变，应变在样品颗粒边界和缺陷处集中，增加该处分子的能量从而引起富勒烯球之间的相互聚合，即在室温下，高压剪切技术可实现C60分子之间的一维和二维聚合。当C60高度聚合时，继续对其施加剪切力，富勒烯球发生破碎以释放能量，因此，高压剪切技术还可以实现C60在较低压力下的、快速的非晶化转变。本发明的方法能够制备出具有理想结构的超硬碳材料，制备成本低，样品纯度高，能够有效控制C60材料的相变路径。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明金刚石旋转对顶砧的结构示意图；
图2是在金刚石不同旋转角度下C60样品的X射线衍射图；
图3是非晶碳的高分辨透射电镜照片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种实现C60低温聚合和快速非晶化的高压技术，其包括以下步骤：
1)将C60样品和压力标定物Au颗粒装入样品腔内。金刚石压砧砧面直径为400微米。垫片为铼片。样品腔的直径为100微米，高度为50微米。C60和Au均为分析纯。
2)调节金刚石对顶砧压机上的加压螺丝给C60样品施加2.0GPa以上的初始压力。
3)缓慢旋转压机的上基座，上基座带动金刚石相对于另外一个金刚石转动。旋转角度每增加12.5度时停下采集样品的X射线衍射谱信号。
4)原位测试C60和Au的X射线衍射谱，记录C60的低温聚合和非晶化进程。
对样品进行原位X射线衍射测试可知，随着金刚石相对旋转角度的增加，样品上的压力逐渐升高，C60也跟着发生相应的结构相变，结果如图2所示。初始条件下，即预加压力为0.3GPa、旋转角度为0度，C60晶体为面心立方结构。使用金刚石对顶砧压机给样品施加2.4GPa的初始压力，此时样品保持为立方结构。缓慢旋转金刚石对顶砧中的一个压砧，当旋转角度为45度时，样品腔内压力升高到5.7 GPa，样品结构转变为斜方晶型（图中星号标注的为斜方晶C60的X射线衍射特征峰），根据文献可知C60样品在该条件下发生了线性聚合。当金刚石压砧旋转角度达到67.5度时（压力达到8.6GPa），衍射花样图中出现六方晶型C60的特征峰，表明在该条件下C60发生了二维方向上的聚合。当金刚石旋转角度达到90度、压力为9.7GPa时，C60转变为非晶碳。相对于没有剪切力的作用，C60的非晶化转变压力从34GPa降低为9.7GPa，实 现了低压下的快速非晶化转变。对卸除压力之后的非晶碳样品进行高分辨透射电镜分析，发现相对于压缩处理之前规整的排布，样品中C60分子的排布形式已趋于完全杂乱，形成了不可逆的非晶状态，结果如图3所示。
图2为在金刚石不同旋转角度下C60样品的X射线衍射图。图中衍射谱线下方的数据左为金刚石旋转角度（单位为度），右为压腔内压力（单位为GPa）。
图3为非晶碳的高分辨透射电镜照片。其中（a）为未经剪切压缩处理的C60样品的高分辨透射电镜照片，（b）为经过剪切压缩处理的C60样品的高分辨透射电镜照片。
本发明采用旋转金刚石对顶砧技术，在对C60样品施加压力的同时，对样品施加横向剪切力。对顶砧相对旋转形成的剪切力引起C60内部的剪切应变，应变在样品颗粒边界和缺陷处集中，增加该处分子的能量从而引起富勒烯球之间的相互聚合，即在室温下，高压剪切技术可实现C60分子之间的一维和二维聚合。当C60高度聚合时，继续对其施加剪切力，富勒烯球发生破碎以释放能量，因此，高压剪切技术还可以实现C60在较低压力下的、快速的非晶化转变。本发明的方法能够制备出具有理想结构的超硬碳材料，制备成本低，样品纯度高，能够有效控制C60材料的相变路径。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种实现C60低温聚合和快速非晶化的高压技术，其特征在于，包括以下步骤：
1)将C60样品和压力标定物Au颗粒装入样品腔内；
2)调节金刚石对顶砧压机上的加压螺丝给C60样品施加2.0GPa以上的初始压力；
3)缓慢旋转压机的上基座，上基座带动金刚石相对于另外一个金刚石转动；
4)原位测试C60和Au的X射线衍射谱，记录C60的低温聚合和非晶化进程。
2.根据权利要求1所述的一种实现C60低温聚合和快速非晶化的高压技术，其特征在于，在步骤1)中，金刚石压砧砧面直径为400微米；采用的垫片为铼片；样品腔的直径为100微米，高度为50微米；C60和Au均为分析纯。
3.根据权利要求1所述的一种实现C60低温聚合和快速非晶化的高压技术，其特征在于，在步骤3)中，旋转角度每增加12.5度时停下采集样品的X射线衍射谱信号。
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