山西煤化所制得高性能熱還原氧化石墨烯薄膜

山西煤化所系統(tǒng)研究了氧化石墨烯薄膜在炭化過(guò)程中的導(dǎo)熱性能演變機(jī)制，并獲得高性能熱還原氧化石墨烯薄膜，相關(guān)成果近日在線發(fā)表于《材料化學(xué)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(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(kuò)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?，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(shí)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(lái)講，氧化石墨烯薄膜在退火后熱導(dǎo)率會(huì)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(qiáng)體，把二維的石墨烯作為導(dǎo)熱功能單元，通過(guò)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(jí)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(qiáng)度超過(guò)15 MPa。這項(xiàng)研究解決了石墨烯導(dǎo)熱應(yīng)用的實(shí)際難題，是山西煤化所在石墨烯領(lǐng)域的一項(xiàng)突破。

研究結(jié)果表明1000 ℃是薄膜性能扭轉(zhuǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)，薄膜的性能在該點(diǎn)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(shí)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(wèn)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(jì)提供了一個(gè)全新視角。

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)青年基金、中科院知識(shí)創(chuàng)新工程前瞻項(xiàng)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(xiàng)目的資助。