Centimeter-sized diamond composites with high electrical conductivity and hardness

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作者
Xingjin Yang,Jinhao Zang,Xingju Zhao,Xiaoyan Ren,Shengqiang Ma,Zhuangfei Zhang,Yuewen Zhang,Xing Li,Shaobo Cheng,Shunfang Li,Bingbing Liu,Chongxin Shan
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (9)
标识
DOI:10.1073/pnas.2316580121
摘要

Achieving high-performance materials with superior mechanical properties and electrical conductivity, especially in large-sized bulk forms, has always been the goal. However, it remains a grand challenge due to the inherent trade-off between these properties. Herein, by employing nanodiamonds as precursors, centimeter-sized diamond/graphene composites were synthesized under moderate pressure and temperature conditions (12 GPa and 1,300 to 1,500 °C), and the composites consisted of ultrafine diamond grains and few-layer graphene domains interconnected through covalently bonded interfaces. The composites exhibit a remarkable electrical conductivity of 2.0 × 10 4 S m −1 at room temperature, a Vickers hardness of up to ~55.8 GPa, and a toughness of 10.8 to 19.8 MPa m 1/2 . Theoretical calculations indicate that the transformation energy barrier for the graphitization of diamond surface is lower than that for diamond growth directly from conventional sp 2 carbon materials, allowing the synthesis of such diamond composites under mild conditions. The above results pave the way for realizing large-sized diamond-based materials with ultrahigh electrical conductivity and superior mechanical properties simultaneously under moderate synthesis conditions, which will facilitate their large-scale applications in a variety of fields.
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