石墨烯是二維sp2鍵和的單層碳原子晶體，與三維材料不同，其低維結(jié)構(gòu)可顯著削減晶界處聲子的邊界散射，并賦予其特殊的聲子擴散模式。研究表明，室溫下石墨烯的熱導(dǎo)率(K)已超越塊體石墨(2000 W/m·K)、碳納米管(3000~3500 W/m·K)和鉆石等同素異形體的極限，達(dá)到5300 W/m·K，遠(yuǎn)超銀(429 W/m·K)和銅(401 W/m·K)等金屬材料。優(yōu)異的導(dǎo)熱和力學(xué)性能使石墨烯在熱管理領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Γ@些性能都是基于微觀的納米尺度，難以直接利用。因此，將納米的石墨烯宏觀組裝形成薄膜材料，同時保持其納米效應(yīng)是石墨烯規(guī)模化應(yīng)用的重要途徑。
一般來講，氧化石墨烯薄膜在退火后熱導(dǎo)率會提升，但也變得脆而易碎。但如果把一維的炭纖維作為結(jié)構(gòu)增強體，把二維的石墨烯作為導(dǎo)熱功能單元，通過自組裝技術(shù)，就可構(gòu)建結(jié)構(gòu)/功能一體化的炭/炭復(fù)合薄膜。這種全炭薄膜具有類似于鋼筋混凝土的多級結(jié)構(gòu)，其厚度在10~200μm可控，室溫面向熱導(dǎo)率高達(dá)977 W/m·K，拉伸強度超過15 MPa。這項研究解決了石墨烯導(dǎo)熱應(yīng)用的實際難題，是山西煤化所在石墨烯領(lǐng)域的一項突破。
研究結(jié)果表明1000 ℃是薄膜性能扭轉(zhuǎn)的關(guān)鍵點，薄膜的性能在該點發(fā)生質(zhì)變，面向熱導(dǎo)率由6.1 W/m·K迅速躍遷至862.5 W/m·K，并在1200 ℃時提升到1043.5 W/m·K。這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了石墨烯熱化學(xué)轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)科學(xué)問題，也為石墨烯導(dǎo)熱薄膜的規(guī)模化制備提供了依據(jù)。這些研究成果為結(jié)構(gòu)/功能一體化的炭/炭復(fù)合材料的設(shè)計提供了一個全新視角。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)青年基金、中科院知識創(chuàng)新工程前瞻項目、山西省自然科學(xué)基金、太原市科技局一流自主創(chuàng)新基地項目的資助。
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