碳可以以三种不同的方式成键，即sp、sp2和sp3，并且丰富的成键模式允许它以多种形式的同素异形体存在。其中，sp2键杂化的石墨和sp3键杂化的金刚石因其独特的晶体结构、力学、热力学、电学和光学性质，分别应用于不同的行业和基础研究。同时，sp2和sp3杂化的共存有望扩大碳材料的家族，可能导致更广泛的功能范围。然而，在环境温度和压力下，由于石墨比金刚石具有更高的热力学稳定性，从石墨到金刚石的转变是具有挑战性的。直到20世纪60年代，通过创造高压和高温条件引起结构相变才取得突破。因此，人们对极端条件下的碳相变进行了大量的研究，揭示了碳相图，开发了超硬、超强、超导等功能材料。武汉工程大学Junjie Liu等采用分子动力学方法研究了纳米多晶石墨在冲击压缩下的动态结构响应。Hugoniot数据表明，在冲击压力P~30 GPa（实验范围20~50 GPa）下，结构转变被激活，导致六方金刚石沿晶界形成并延伸，均匀地嵌在薄石墨晶粒之间。当P从130 GPa开始增加时，结构开始液化，伴随着剪应力τ从大约5开始下降。在P~250 GPa（石墨熔化压力180 ~ 280 GPa）和τ ~ 0 GPa下完全液化。在超高压区域，形成弹性波和相变波组成的双波结构，当活塞速度超过5.2 km/s时，后波赶上弹性波，最终成为单驱动波。压缩后的纳米多晶石墨在弛豫过程中，当活塞速度大于1 km/s时，试样内部的孔洞成核导致了可见裂纹的萌生。当活塞速度较低时，由于剪切滑移效应，裂纹沿晶界逐渐扩展。在高活塞速度下，纳米多晶石墨的直接层裂使其在超高应变速率的拉伸作用下形成多个碎片。该研究为研究纳米多晶石墨在冲击压缩下的结构转变和动态损伤演化提供了有益的指导。纳米多晶石墨的原子模型，即主要通过sp键相互连接的薄石墨晶粒作为随机晶界，尺寸为5×5×50 nm3（142,365个碳原子），并使用Voronoi方法构建，如图1所示。模型的纵向尺寸（沿z方向的冲击载荷）远大于横向尺寸（x、y方向），这保证了冲击前沿达到一个稳定的平面，可用于Hugoniot数据的计算，并为冲击状态变量的分析提供了足够的区域。![]()
图1. 冲击压缩下主要通过sp键（晶界，白色）相互连接的薄石墨晶粒（与sp2杂化，灰色标记）的原子模型。
如图2(a)和(b)所示，冲击波速度和冲击压力随活塞速度的变化可以分为三个区域，分别对应纳米多晶石墨对冲击压缩的不同结构响应。在I区，0 < up < 2.4 km/s（低速冲击，用白色标记），和up之间的线性关系意味着纳米多晶石墨只受到弹性压缩。在II区，2.4 km/s≤ up < 5.2 km/s（高速冲击，浅灰色标记），发生相变，即碳杂化从sp到sp3和从sp2到sp3的变化，这表明金刚石/类金刚石是从晶界开始形核并扩展到薄石墨，如图3所示。在up = 2.4 km/s时，结构转变在P~30 GPa（在20 ~ 50 GPa的实验范围内）被激活，同时us - up / τ- up曲线出现明显的拐点。在> 5.2 km/s（超高速冲击，深灰色标记）区域III，当冲击压力从~ 130 GPa的临界值开始增加，剪应力τ从~ 5开始减小时，纳米多晶石墨开始液化（图3）。纳米多晶石墨的完全液化发生在P~250 GPa（在高达8 km/s时τ降至零左右），与石墨的熔化压力180 ~ 280 GPa一致。![]()
图2. 与实验、DFT计算和LCBOPII势的MD得到的纳米多晶石墨在冲击压缩下的Hugoniot曲线(a) us - up、(b) P- up、τ- up、(c) P-(V/V0)。根据活塞速度的变化范围，曲线分为I、II和III区，分别对应纳米多晶石墨的不同结构响应，分别用白色、浅灰色和深灰色标记。
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图3. 从图2中冲击波完全穿过纳米多晶石墨时的弹性变形区、结构转变区和液化区选取三种具有代表性的结构（右侧为局部放大图像）。
相关研究成果以“Shock-induced phase transition and damage in
nano-polycrystalline graphite affected by grain boundaries”为题发表在Computational Materials Science上(Volume 245
2024, 113303)，论文第一作者为Junjie Liu，通讯作者为Hong Tian和Fang Li。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2024.113303
