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石墨烯导热研究获进展

2020-11-16 19:10:06

山西煤化所系统研究了氧化石墨烯薄膜在炭化过程中的导热性能演变机制,并获得高性能热还原氧化石墨烯薄膜,相关成果近日在线发表于《材料化学杂志》。

石墨烯是二维sp2键和的单层碳原子晶体,与三维材料不同,其低维结构可显著削减晶界处声子的边界散射,并赋予其特殊的声子扩散模式。研究表明,室温下石墨烯的热导率(K)已超越块体石墨(2000 W/m·K)、碳纳米管(3000~3500 W/m·K)和钻石等同素异形体的极限,达到5300 W/m·K,远超银(429 W/m·K)和铜(401 W/m·K)等金属材料。优异的导热和力学性能使石墨烯在热管理领域极具发展潜力,但这些性能都是基于微观的纳米尺度,难以直接利用。因此,将纳米的石墨烯宏观组装形成薄膜材料,同时保持其纳米效应是石墨烯规模化应用的重要途径。

一般来讲,氧化石墨烯薄膜在退火后热导率会提升,但也变得脆而易碎。但如果把一维的炭纤维作为结构增强体,把二维的石墨烯作为导热功能单元,通过自组装技术,就可构建结构/功能一体化的炭/炭复合薄膜。这种全炭薄膜具有类似于钢筋混凝土的多级结构,其厚度在10~200μm可控,室温面向热导率高达977 W/m·K,拉伸强度超过15 MPa。这项研究解决了石墨烯导热应用的实际难题,是山西煤化所在石墨烯领域的一项突破。

研究结果表明1000 ℃是薄膜性能扭转的关键点,薄膜的性能在该点发生质变,面向热导率由6.1 W/m·K迅速跃迁至862.5 W/m·K,并在1200 ℃时提升到1043.5 W/m·K。这一发现不仅解决了石墨烯热化学转变的基础科学问题,也为石墨烯导热薄膜的规模化制备提供了依据。这些研究成果为结构/功能一体化的炭/炭复合材料的设计提供了一个全新视角。


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