山西煤化所系統研究了氧化石墨烯薄膜在炭化過程中的導熱性能演變機制，并獲得高性能熱還原氧化石墨烯薄膜，相關成果近日在線發表于《材料化學雜志》。

石墨烯是二維sp2鍵和的單層碳原子晶體，與三維材料不同，其低維結構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，達到5300 W/m·K，遠超銀(429 W/m·K)和銅(401 W/m·K)等金屬材料。優異的導熱和力學性能使石墨烯在熱管理領域極具發展潛力，但這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是石墨烯規模化應用的重要途徑。

一般來講，氧化石墨烯薄膜在退火后熱導率會提升，但也變得脆而易碎。但如果把一維的炭纖維作為結構增強體，把二維的石墨烯作為導熱功能單元，通過自組裝技術，就可構建結構/功能一體化的炭/炭復合薄膜。這種全炭薄膜具有類似于鋼筋混凝土的多級結構，其厚度在10~200μm可控，室溫面向熱導率高達977 W/m·K，拉伸強度超過15 MPa。這項研究解決了石墨烯導熱應用的實際難題，是山西煤化所在石墨烯領域的一項突破。

研究結果表明1000 ℃是薄膜性能扭轉的關鍵點，薄膜的性能在該點發生質變，面向熱導率由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。這一發現不僅解決了石墨烯熱化學轉變的基礎科學問題，也為石墨烯導熱薄膜的規模化制備提供了依據。這些研究成果為結構/功能一體化的炭/炭復合材料的設計提供了一個全新視角。

該研究工作得到了國家自然科學青年基金、中科院知識創新工程前瞻項目、山西省自然科學基金、太原市科技局一流自主創新基地項目的資助。

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