【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种复合相金刚石材料。本专利技术还涉及一种制造复合相金刚石材料的方法。本专利技术还涉及复合相金刚石材料的用途。
技术介绍
1、金刚石是一种天然存在的材料，以其独特的性质而闻名，诸如优异的硬度和导热性、宽带隙和高稳定性，这使其成为各种用途的理想材料，尤其是在极端环境中。然而，由于不存在自由电子，金刚石表现出低导电性。通过传统的工业方法来改变金刚石的性质是很有挑战性的，这严重限制了金刚石的工业应用。
2、近年来，一些研究人员试图通过诸如掺杂的现有方法来提高金刚石的导电性，使其适用于实际应用。尽管导电金刚石在诸如化学和生物化学感测、环境降解、电合成、电催化、量子力学、超导体、医学、空间设备以及能量储存和转换的领域中已扩展到有前途的应用，但是其实际使用受到困难且繁琐的机械加工以及高生产成本的限制。此外，由于其晶格，使金刚石导电的过程通常会损害其机械性能和热稳定性。
3、温度是七个基本物理量中的一者。低温物理学是一个关键领域，其可以帮助我们提高对宇宙、物质和技术的理解。在接近绝对零度的温度下，物质表现出一系列在更高温度下无法观察到的不寻常且奇异的性质；这些性质在几个相关领域如量子计算、量子模拟、超流性和玻色-爱因斯坦凝聚(bose-einstein condensation)中非常重要。测量接近绝对零度的温度的能力推动了低温物理学和量子物理学的许多进步。目前，毫开尔文温度及以下的温度是通过表征系统的特定热状态来测量的，因为没有传统的温度计能够测量如此低水平的温度。尽管在实验室中已经生产出温度为38pk
4、一些sp2杂化的碳材料已显示出用于低温温度测量的良好潜力。与金刚石相比，石墨具有较软的质地和较差的机械性能，使其在使用过程中极易剥落或损坏。金刚石的极低的热膨胀系数、优异的硬度、宽带隙和高空穴迁移率使其成为用于极端环境中的温度测量的理想材料。
5、因此，仍然需要一种可应用于低温测量而没有现有材料的缺点的改进的碳材料。还需要一种低成本的方法来生产这种导电金刚石，而不牺牲金刚石固有的所需性质。
技术实现思路
1、本专利技术的一方面提出了一种具有sp2-sp3复合相的碳材料(即金刚石材料)来解决上述问题，特别是克服低温测量的瓶颈。此外，sp2杂化相与金刚石的组合可以显著影响基于金刚石的材料的电导率、带隙和其他特性。这种方法为金刚石在电子领域的潜在应用提供了见解。金刚石材料可以被称为复合相金刚石(cpd)。
2、本专利技术的另一个方面提出了一种用于经由简单且成本有效的方法制造cpd的方法，该方法包括在大气压条件下对前体进行热处理。该方法可以制备具有负温度系数和高度拟合的电阻-温度(r-t)曲线的cpd。cpd的最低温度测量极限为1mk。
3、此外，cpd明显地表现出对磁场的低敏感性和优异的热稳定性，这极大地扩展了其作为用于温度测量，尤其是低温温度测量的材料的潜在应用。这种复合相结构设计已在各种规模上成功实施。例如，开发了微米级cpd探针和厘米级3d打印cpd。cpd是用于制造下一代低温温度传感器的有前途的材料，并为功能性金刚石应用开辟了新的潜力。
4、本专利技术的一个方面涉及一种包括sp3杂化区域和一个或多个sp2杂化区域的复合相金刚石材料。sp2杂化区域位于sp3杂化区域中。
5、在一个实施方案中，sp2杂化区域以分布在sp3杂化区域中的一个或多个团簇的形式彼此间隔开。
6、在一个实施方案中，复合相金刚石包括一个或多个无定形碳区域。
7、在一个实施方案中，无定形碳区域中的至少一个无定形碳区域邻接sp2杂化区域中的至少相应的一个sp2杂化区域以形成团簇。
8、在一个实施方案中，该团簇与另一个团簇间隔开。
9、在一个实施方案中，复合相金刚石在sp3杂化区域与sp2杂化区域之间的界面处包含不规则部分。
10、在一个实施方案中，复合相金刚石材料是导电的。
11、在一个实施方案中，复合相金刚石材料对磁场不敏感；特别地，复合相金刚石材料在约-263℃至约200℃的温度下对磁场不敏感。
12、在一个实施方案中，复合相金刚石材料包括：
13、基于所述复合相金刚石材料的总体积计，约50体积％至约90体积％的所述sp3杂化区域和约10体积％至约50体积％的所述sp2杂化区域；或
14、基于所述复合相金刚石材料的总体积计，约50体积％至约70体积％的所述sp3杂化区域和约30体积％至约50体积％的所述sp2杂化区域；或
15、基于所述复合相金刚石材料的总体积计，约50体积％至约60体积％的所述sp3杂化区域和约40体积％至约50体积％的所述sp2杂化区域。
16、在一个实施方案中，复合相金刚石材料包括：
17、基于所述复合相金刚石材料的总体积计，约50体积％至约90体积％的所述sp3杂化区域、约10体积％至约50体积％的所述sp2杂化区域和约10体积％至约50体积％的所述无定形碳区域；或
18、基于所述复合相金刚石材料的总体积计，约50体积％至约60体积％的所述sp3杂化区域、约20体积％至约40体积％的所述sp2杂化区域和约10体积％至约30体积％的所述无定形碳区域。
19、本专利技术的另一方面涉及一种用于制造复合相金刚石材料的方法，该方法包括以下步骤：a)提供包括碳原料的前体，b)提供聚合物形成组合物；以及c)加热前体和聚合物形成组合物以形成复合相金刚石材料。聚合物形成组合物包含可聚合粘结剂。
20、在一个实施方案中，该方法包括聚合步骤，其中在加热步骤c)之前，可聚合粘结剂至少部分地聚合。
21、在一个实施方案中，该方法包括在聚合步骤之前，即在可聚合粘结剂聚合之前，将聚合物形成组合物与前体混合的混合步骤。
22、在一个实施方案中，碳原料包括原始金刚石；任选地，其中碳原料还包括无定形碳和/或石墨。
23、在一个实施方案中，碳原料包括选自由原始金刚石、无定形碳、石墨以及它们的组合组成的组的材料。
24、在一个实施方案中，加热步骤c)包括将原始金刚石的一部分转化为石墨碎片的步骤，或者其中将约10体积％至约50％的原始金刚石转化为石墨碎片。
25、在一个实施方案中，将原始金刚石的一部分转化为石墨碎片的步骤包括将原始金刚石的一部分转化为无定形碳的步骤。
26、在一个实施方案中，聚合物形成组合物包含引发剂。
27、在一个实施方案中，碳原料为选自由粉末、膜、块体以及它们的组合组成的组的形式。
28、在一个实施方案中，复合相金刚石材料为选自由粉末、膜、块体以及它们的组合组成的组的形式。
29、在一个实施方案中，粘结剂包括有机粘结剂；或者其中粘结剂包括选自由聚本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种复合相金刚石材料，其中所述复合相金刚石材料包括sp3杂化区域和一个或多个sp2杂化区域，其中所述sp2杂化区域位于所述sp3杂化区域中。
2.根据权利要求1所述的复合相金刚石材料，其中所述sp2杂化区域以分布在所述sp3杂化区域中的一个或多个团簇的形式彼此间隔开。
3.根据权利要求1或2所述的复合相金刚石材料，其中复合相金刚石包括一个或多个无定形碳区域。
4.根据权利要求3所述的复合相金刚石材料，所述无定形碳区域中的至少一个无定形碳区域邻接所述sp2杂化区域中的至少相应的一个sp2杂化区域以形成团簇。
5.根据权利要求4所述的复合相金刚石材料，其中所述团簇与另一团簇间隔开。
6.根据权利要求1或2所述的复合相金刚石材料，其中所述复合相金刚石在所述sp3杂化区域与所述sp2杂化区域之间的界面处包含不规则部分。
7.根据权利要求1或2所述的复合相金刚石材料，所述复合相金刚石材料是导电的。
8.根据权利要求1或2所述的复合相金刚石材料，所述复合相金刚石材料对磁场不敏感；特别地，所述复合相金刚石材
9.根据权利要求1或2所述的复合相金刚石材料，所述复合相金刚石材料包括：
10.根据权利要求3所述的复合相金刚石材料，所述复合相金刚石材料包括：
11.一种用于制造根据权利要求1至10中任一项所述的复合相金刚石材料的方法，所述方法包括以下步骤：
12.根据权利要求11所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述方法包括聚合步骤，其中在加热步骤c)之前，所述可聚合粘结剂至少部分地聚合。
13.根据权利要求12所述的制造复合相金刚石材料的方法，所述方法包括在所述聚合步骤之前将所述聚合物形成组合物与所述前体混合的混合步骤。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述碳原料包括原始金刚石；任选地，其中所述碳原料还包括无定形碳和/或石墨。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述碳原料包括选自由原始金刚石、无定形碳、石墨以及它们的组合组成的组的材料。
16.根据权利要求14所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述加热步骤c)包括将所述原始金刚石的一部分转化为石墨碎片的步骤，或者其中将约10体积％至约50体积％的所述原始金刚石转化为所述石墨碎片。
17.根据权利要求14所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中将所述原始金刚石的一部分转化为石墨碎片的所述步骤包括将所述原始金刚石的一部分转化为无定形碳的步骤。
18.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述聚合物形成组合物包含引发剂。
19.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述碳原料为选自由粉末、膜、块体以及它们的组合组成的组的形式。
20.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述复合相金刚石材料为选自由粉末、膜、块体以及它们的组合组成的组的形式。
21.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述粘结剂包括有机粘结剂；或者其中所述粘结剂包括选自由聚丙烯酸铵、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、二(丙二醇)二苯醚、N-羟乙基丙烯酰胺和苯乙烯以及它们的组合组成的组的有机材料。
22.根据权利要求18所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述引发剂包括光敏引发剂；或者其中所述引发剂选自由以下组成的组：N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、2-羟基-2-甲基苯丙酮、三苯基硼烷、1-吡咯啉-5-甲酸、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰)、二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧化膦以及它们的组合。
23.根据权利要求18所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述引发剂包括两种不同的光敏引发剂。
24.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述聚合物形成组合物还包含增稠剂；或者，其中所述增稠剂包括聚合物；或者其中所述增稠剂是水溶性的；或者其中所述增稠剂不含硅；或者其中所述增稠剂不含金属离子。
25.根据权利要求24所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述增稠剂选自由以下组成的组：聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、聚(丙烯酸铵)和聚乙烯醇以及它们的组合。
26.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其...
【技术特征摘要】
1.一种复合相金刚石材料，其中所述复合相金刚石材料包括sp3杂化区域和一个或多个sp2杂化区域，其中所述sp2杂化区域位于所述sp3杂化区域中。
2.根据权利要求1所述的复合相金刚石材料，其中所述sp2杂化区域以分布在所述sp3杂化区域中的一个或多个团簇的形式彼此间隔开。
3.根据权利要求1或2所述的复合相金刚石材料，其中复合相金刚石包括一个或多个无定形碳区域。
4.根据权利要求3所述的复合相金刚石材料，所述无定形碳区域中的至少一个无定形碳区域邻接所述sp2杂化区域中的至少相应的一个sp2杂化区域以形成团簇。
5.根据权利要求4所述的复合相金刚石材料，其中所述团簇与另一团簇间隔开。
6.根据权利要求1或2所述的复合相金刚石材料，其中所述复合相金刚石在所述sp3杂化区域与所述sp2杂化区域之间的界面处包含不规则部分。
7.根据权利要求1或2所述的复合相金刚石材料，所述复合相金刚石材料是导电的。
8.根据权利要求1或2所述的复合相金刚石材料，所述复合相金刚石材料对磁场不敏感；特别地，所述复合相金刚石材料在约-263℃至约200℃的温度下对磁场不敏感。
9.根据权利要求1或2所述的复合相金刚石材料，所述复合相金刚石材料包括：
10.根据权利要求3所述的复合相金刚石材料，所述复合相金刚石材料包括：
11.一种用于制造根据权利要求1至10中任一项所述的复合相金刚石材料的方法，所述方法包括以下步骤：
12.根据权利要求11所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述方法包括聚合步骤，其中在加热步骤c)之前，所述可聚合粘结剂至少部分地聚合。
13.根据权利要求12所述的制造复合相金刚石材料的方法，所述方法包括在所述聚合步骤之前将所述聚合物形成组合物与所述前体混合的混合步骤。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述碳原料包括原始金刚石；任选地，其中所述碳原料还包括无定形碳和/或石墨。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述碳原料包括选自由原始金刚石、无定形碳、石墨以及它们的组合组成的组的材料。
16.根据权利要求14所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述加热步骤c)包括将所述原始金刚石的一部分转化为石墨碎片的步骤，或者其中将约10体积％至约50体积％的所述原始金刚石转化为所述石墨碎片。
17.根据权利要求14所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中将所述原始金刚石的一部分转化为石墨碎片的所述步骤包括将所述原始金刚石的一部分转化为无定形碳的步骤。
18.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述聚合物形成组合物包含引发剂。
19.根据权利要求11至13中任一项所述的制造复合相金刚石材料的方法，其中所述碳原料为选自由粉末、膜、块体以及它们的组合组成的组的形式。
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