一種實現(xiàn)C60低溫聚合和快速非晶化的高壓技術的制作方法

本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)C₆₀低溫聚合和快速非晶化的高壓技術。

背景技術：

在碳材料家族中，富勒烯碳60（C₆₀，又名富勒烯球）分子內(nèi)部原子以碳-碳單鍵相連，被專家預測具有極高的體積模量B₀，約為800-900GPa，這一數(shù)值遠超過金剛石的體積模量442GPa。然而，在常溫常壓下，C₆₀分子之間以范德華力相連，形成柔軟的固體材料，其體積模量僅為10GPa。為了實現(xiàn)極度堅硬的碳材料的結構設計，一種辦法就是打開C₆₀中的碳-碳雙鍵，使得C₆₀之間相互聚合，形成三維的富勒烯聚合物，從而實現(xiàn)超硬的碳結構。目前，一般采用高溫高壓的技術實現(xiàn)C₆₀分子之間的一維和二維聚合。該技術即為：首先對C₆₀施加一定的壓力，然后對樣品進行加熱，在合適的壓力和溫度下，C₆₀分子之間相繼發(fā)生一維和二維發(fā)生聚合。目前尚未有研究表明得到C₆₀分子之間的三維聚合。在該技術中，溫度是促使C₆₀聚合的關鍵因素。在室溫下，僅對C60樣品施加壓力，并不能使得C₆₀發(fā)生相互聚合?，F(xiàn)有研究表明，在金剛石對頂砧壓腔中當壓力達到34 GPa時，C₆₀分子直接碎掉，而不會在壓力升高的過程中發(fā)生分子間的聚合。

目前，高溫高壓技術是實現(xiàn)C₆₀分子間聚合的主要技術。王素芹、于堯在《原子與分子物理學報》發(fā)表的題為“R相C₆₀聚合物的磁性研究”公開：在一組高溫高壓的條件下，合成了C₆₀聚合物，經(jīng)過X射線衍射(XRD)的表征，證實了樣品結構為菱形(R)、四方(T)和正交(O)；13C核磁共振(NMR)譜表明了C60球之間sp3鍵的形成，退卷積計算表明R相C60聚合物純度～95％。另外有學者在高溫高壓條件下利用高壓合成裝置合成了二維R相C₆₀聚合物，并利用X射線衍射(XRD)和超量子干涉(SQUID)對合成的樣品進行了研究。X射線衍射(XRD)數(shù)據(jù)表明,在6 Gpa壓力和700℃-725℃的溫度條件下合成的聚合物為純度較高的二維R相C₆₀聚合物，當溫度升高至800℃時,富勒烯的籠狀結構塌陷,樣品全部變?yōu)闊o定形碳結構。但是上述方法會存在以下缺點：升溫會導致傳壓介質(zhì)的分解，從而給C₆₀樣品引入雜質(zhì)；采用加熱或者光照等給樣品升溫，均需要增加額外的能量，成本高。

另外，有學者利用1.064μｍ基頻超短脈沖激光，使用光學二次諧波方法研究了超高真空中蒸鍍在多晶銀表面上的C60薄膜紫外光照射下的光聚合現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)聚合以后的C60二階非線性響應增強，同時觀察到光聚合的飽和效應，但是這種方法僅能實現(xiàn)C60薄膜材料的聚合。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種實現(xiàn)C₆₀低溫聚合和快速非晶化的高壓技術，能夠在室溫下實現(xiàn)C₆₀分子間的相互聚合，實現(xiàn)_C60在較低壓力下的快速非晶化。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了如下的技術方案：

本發(fā)明提供一種實現(xiàn)C₆₀低溫聚合和快速非晶化的高壓技術，其包括以下步驟：

1)將C₆₀樣品和壓力標定物Au顆粒裝入樣品腔內(nèi)；

2)調(diào)節(jié)金剛石對頂砧壓機上的加壓螺絲給C₆₀樣品施加2.0GPa以上的初始壓力；

3)緩慢旋轉(zhuǎn)壓機的上基座，上基座帶動金剛石相對于另外一個金剛石轉(zhuǎn)動；

4)原位測試C₆₀和Au的X射線衍射譜，記錄C₆₀的低溫聚合和非晶化進程。

進一步地，在步驟1)中，金剛石壓砧砧面直徑為400微米；采用的墊片為錸片；樣品腔的直徑為100微米，高度為50微米；C₆₀和Au均為分析純。

進一步地，在步驟3)中，旋轉(zhuǎn)角度每增加12.5度時停下采集樣品的X射線衍射譜信號。

本發(fā)明所達到的有益效果是：

本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)金剛石對頂砧技術，在對C₆₀樣品施加壓力的同時，對樣品施加橫向剪切力。對頂砧相對旋轉(zhuǎn)形成的剪切力引起C₆₀內(nèi)部的剪切應變，應變在樣品顆粒邊界和缺陷處集中，增加該處分子的能量從而引起富勒烯球之間的相互聚合，即在室溫下，高壓剪切技術可實現(xiàn)C₆₀分子之間的一維和二維聚合。當C₆₀高度聚合時，繼續(xù)對其施加剪切力，富勒烯球發(fā)生破碎以釋放能量，因此，高壓剪切技術還可以實現(xiàn)C₆₀在較低壓力下的、快速的非晶化轉(zhuǎn)變。本發(fā)明的方法能夠制備出具有理想結構的超硬碳材料，制備成本低，樣品純度高，能夠有效控制C₆₀材料的相變路徑。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是本發(fā)明金剛石旋轉(zhuǎn)對頂砧的結構示意圖；

圖2是在金剛石不同旋轉(zhuǎn)角度下C₆₀樣品的X射線衍射圖；

圖3是非晶碳的高分辨透射電鏡照片。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，一種實現(xiàn)C₆₀低溫聚合和快速非晶化的高壓技術，其包括以下步驟：

1)將C₆₀樣品和壓力標定物Au顆粒裝入樣品腔內(nèi)。金剛石壓砧砧面直徑為400微米。墊片為錸片。樣品腔的直徑為100微米，高度為50微米。C₆₀和Au均為分析純。

2)調(diào)節(jié)金剛石對頂砧壓機上的加壓螺絲給C₆₀樣品施加2.0GPa以上的初始壓力。

3)緩慢旋轉(zhuǎn)壓機的上基座，上基座帶動金剛石相對于另外一個金剛石轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)角度每增加12.5度時停下采集樣品的X射線衍射譜信號。

4)原位測試C₆₀和Au的X射線衍射譜，記錄C₆₀的低溫聚合和非晶化進程。

對樣品進行原位X射線衍射測試可知，隨著金剛石相對旋轉(zhuǎn)角度的增加，樣品上的壓力逐漸升高，C₆₀也跟著發(fā)生相應的結構相變，結果如圖2所示。初始條件下，即預加壓力為0.3GPa、旋轉(zhuǎn)角度為0度，C₆₀晶體為面心立方結構。使用金剛石對頂砧壓機給樣品施加2.4 GPa的初始壓力，此時樣品保持為立方結構。緩慢旋轉(zhuǎn)金剛石對頂砧中的一個壓砧，當旋轉(zhuǎn)角度為45度時，樣品腔內(nèi)壓力升高到5.7 GPa，樣品結構轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄停▓D中星號標注的為斜方晶C₆₀的X射線衍射特征峰），根據(jù)文獻可知C₆₀樣品在該條件下發(fā)生了線性聚合。當金剛石壓砧旋轉(zhuǎn)角度達到67.5度時（壓力達到8.6GPa），衍射花樣圖中出現(xiàn)六方晶型C₆₀的特征峰，表明在該條件下C₆₀發(fā)生了二維方向上的聚合。當金剛石旋轉(zhuǎn)角度達到90度、壓力為9.7GPa時，C₆₀轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷?。相對于沒有剪切力的作用，C₆₀的非晶化轉(zhuǎn)變壓力從34GPa降低為9.7GPa，實 現(xiàn)了低壓下的快速非晶化轉(zhuǎn)變。對卸除壓力之后的非晶碳樣品進行高分辨透射電鏡分析，發(fā)現(xiàn)相對于壓縮處理之前規(guī)整的排布，樣品中C₆₀分子的排布形式已趨于完全雜亂，形成了不可逆的非晶狀態(tài)，結果如圖3所示。

圖2為在金剛石不同旋轉(zhuǎn)角度下C60樣品的X射線衍射圖。圖中衍射譜線下方的數(shù)據(jù)左為金剛石旋轉(zhuǎn)角度（單位為度），右為壓腔內(nèi)壓力（單位為GPa）。

圖3為非晶碳的高分辨透射電鏡照片。其中（a）為未經(jīng)剪切壓縮處理的C₆₀樣品的高分辨透射電鏡照片，（b）為經(jīng)過剪切壓縮處理的C₆₀樣品的高分辨透射電鏡照片。

本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)金剛石對頂砧技術，在對C₆₀樣品施加壓力的同時，對樣品施加橫向剪切力。對頂砧相對旋轉(zhuǎn)形成的剪切力引起C₆₀內(nèi)部的剪切應變，應變在樣品顆粒邊界和缺陷處集中，增加該處分子的能量從而引起富勒烯球之間的相互聚合，即在室溫下，高壓剪切技術可實現(xiàn)C₆₀分子之間的一維和二維聚合。當C₆₀高度聚合時，繼續(xù)對其施加剪切力，富勒烯球發(fā)生破碎以釋放能量，因此，高壓剪切技術還可以實現(xiàn)C₆₀在較低壓力下的、快速的非晶化轉(zhuǎn)變。本發(fā)明的方法能夠制備出具有理想結構的超硬碳材料，制備成本低，樣品純度高，能夠有效控制C₆₀材料的相變路徑。

最后應說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。