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近日，鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)陶瓷課題組在國(guó)際頂級(jí)期刊《Carbon》（IF=9.594）發(fā)表題為“In-situ TEM observations of the structural stability in carbon nanotubes, nanodiamonds and carbon nano-onions under electron irradiation”的原創(chuàng)性研究論文。劉雯老師為論文通訊作者，碩士研究生林兆昀為論文第一作者，鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一作者單位和通訊單位。

近年來(lái)，隨著納米結(jié)構(gòu)在提高抗輻照性能方面逐漸展現(xiàn)出潛力，越來(lái)越多的研究者希望通過(guò)在現(xiàn)有候選核材料中添加碳納米材料，使新材料在獲得改善的抗輻照性能的同時(shí)具有優(yōu)異的綜合性能。研究團(tuán)隊(duì)采用原位透射電子顯微鏡(In–situ TEM)研究了游離態(tài)的1D多壁碳納米管(MWCNT)，0D納米金剛石(ND)和納米洋蔥碳(CNO)等幾種納米碳材料的抗電子輻照性能。從形貌、固有缺陷和sp2–sp3雜化三個(gè)關(guān)鍵因素入手，深入探討納米碳材料輻照損傷機(jī)理。通過(guò)HRTEM的研究發(fā)現(xiàn)不同碳結(jié)構(gòu)在電子輻照下具有相似的缺陷類型，但卻表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與直徑10~30 nm、長(zhǎng)徑比200~2000的MWCNT相比，在高劑量(2.698 × 1025 e/cm2)和高電流密度(1.66 × 103 A/cm2和3.79 × 103 A/cm2)作用下，平均直徑為10 nm的ND和CNO具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。固有缺陷的影響方面，通過(guò)比較多缺陷和少缺陷的CNO和CNT發(fā)現(xiàn)，材料中固有缺陷的存在導(dǎo)致納米碳材料在較低的劑量下就表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的衰退。

圖1 不同碳納米材料電子輻照下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較，d為(002)的晶面間距

進(jìn)一步比較sp3結(jié)構(gòu)的ND和sp2結(jié)構(gòu)的CNO發(fā)現(xiàn)，sp3結(jié)構(gòu)在電子輻照下會(huì)向sp2結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而sp2結(jié)構(gòu)本身則具有更好的穩(wěn)定性。此外，缺陷的遷移方向可以通過(guò)是否內(nèi)部空腔改變，這是由納米碳結(jié)構(gòu)中的輻照誘導(dǎo)壓力所引起的。本研究建立了納米碳結(jié)構(gòu)材料抗輻照性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為輻照環(huán)境下含碳納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能器件的研制提供了合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程指導(dǎo)。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目和中國(guó)博士后科學(xué)基金經(jīng)費(fèi)的支持。