山西煤化所系統(tǒng)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(fā)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(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(yōu)異的導熱和力學性能使石墨烯在熱管理領域極具發(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，同時保持其納米效應是石墨烯規(guī)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(jié)構(gòu)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(shù)，就可構(gòu)建結(jié)構(gòu)/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(jié)構(gòu)，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(jié)果表明1000 ℃是薄膜性能扭轉(zhuǎn)的關鍵點，薄膜的性能在該點發(fā)生質(zhì)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(fā)現(xiàn)不僅解決了石墨烯熱化學轉(zhuǎn)變的基礎科學問題，也為石墨烯導熱薄膜的規(guī)?；苽涮峁┝艘罁?jù)。這些研究成果為結(jié)構(gòu)/功能一體化的炭/炭復合材料的設計提供了一個全新視角。
下載文檔
