Hard and superhard carbon phases synthesised from fullerites under pressure

Abstract

A review has been presented on the structural and mechanical properties of hard carbon phases synthesized from fullerite C₆₀ under pressure. The density and nanostructure have been recognized as the key parameters defining the mechanical properties of hard carbon phases. By suggesting a version of the transitional high-pressure diagram of C₆₀ (developed up to 20 GPa), the three areas of the formation of hard carbon phases have been highlighted. The corresponding phases of superhard carbon are (1) disordered sp²-type atomic structures at moderate pressures and high temperatures (> 1100 K), (2) three-dimensionally polymerized C₆₀ structures at moderate temperatures and high pressures (> 8 GPa), and (3) sp³-based amorphous and nanocomposite phases at high pressures and temperatures. First region can be in turn separated into 2 subparts with different peculiarities of sp² structures and properties: low pressure part (0.1–2 GPa) and high-pressure part (2–8 GPa). Temperature can be recognized as a factor responsible for the formation of nanostructures by the partial destruction of molecular phases, whereas pressure is a factor responsible for stimulating the formation of rigid polymerized structures consisting of covalently bonded C₆₀ molecules, whereas the combination of both factors leads to the formation of atomic-based phases with dominating sp³ bonding.

Представлено огляд структурних і механічних властивостей твердих вуглецевих фаз, синтезованих з фулерита C₆₀ під тиском. Щільність і наноструктура є ключовими параметрами, що визначають механічні властивості твердих фаз вуглецю. Пропонується версія діаграми перетворення при високому тиску C₆₀ (розроблена до 20 ГПа), виділено три області формування твердих фаз вуглецю, яким відповідають: 1) невпорядковані sp²-типу атомні структури при помірних тисках і високих (> 1100 K) температурах, 2) тривимірно полімеризовані C₆₀ структури при помірних температурах і високих (> 8 ГПа) тисках, 3) аморфні і нанокомпозитні фази на основі sp³ при високих тисках і температурах. Перша область може бути, в свою чергу, розділена на два підрозділи з різними особливостями sp²-структури і властивостей: область низького (0.1–2 ГПа) і високого (2–8 ГПа) тиску. Температура може бути визнана фактором, відповідальним за формування наноструктур завдяки частковому руйнуванню молекулярних фаз, тоді як тиск є чинником, що стимулює формування жорстких полімеризованих структур, які складаються з ковалентно зв’язаних молекул С₆₀, а поєднання обох факторів приводить до утворення фаз на основі атомів з домінуючим sp³-зв’язком.

Представлен обзор структурных и механических свойств твердых углеродных фаз, синтезированных из фуллерита C₆₀ под давлением. Плотность и наноструктура являются ключевыми параметрами, определяющими механические свойства твердых фаз углерода. Предлагается версия диаграммы превращения при высоком давлении C₆₀ (разработана до 20 ГПа), выделены три области формирования твердых фаз углерода, которым соответствуют: 1) неупорядоченные sp²-типа атомные структуры при умеренных давлениях и высоких (> 1100 K) температурах, 2) трехмерно полимеризованные C₆₀ структуры при умеренных температурах и высоких (> 8 ГПа) давлениях, 3) аморфные и нанокомпозитные фазы на основе sp³ при высоких давлениях и температурах. Первая область может быть, в свою очередь, разделена на два подраздела с различными особенностями sp²-структуры и свойств: область низкого (0.1–2 ГПа) и высокого (2–8 ГПа) давления. Температура может быть признана фактором, ответственным за формирование наноструктур путем частичного разрушения молекулярных фаз, в то время как давление является фактором, стимулирующим формирование жестких полимеризованных структур, состоящих из ковалентно связанных молекул С₆₀, а сочетание обоих факторов приводит к образованию фаз на основе атомов с доминирующей sp³-связью.