中科院炭材料重點實驗室石墨烯導熱研究取得進展

　　2014年以來，中國科學院炭材料重點實驗室在石墨烯柔性散熱體領域先后取得重要進展。中科院山西煤炭化學研究所709組與清華大學和中科院金屬研究所相關團隊合作，結合石墨烯和碳纖維領域的學科優勢，成功研制出高導熱石墨烯/炭纖維柔性復合薄膜，相關成果于3月20日發表于《先進功能材料》（Adv. Func. Mater., 2014, 24: 4222-4228），并被選為雜志內插頁進行重點報道。同時，山西煤化所708組與709組合作，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，相關成果于7月16日在線發表于《材料化學雜志》（J. Mater. Chem. A, 2014, DOI: 10.1039/C4TA02693D）。

　　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10~200 μm之間可控，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。

　　以氧化石墨烯為前驅體很容易獲得薄膜材料，但這種材料需通過熱處理才能恢復其導熱/導電性能。研究結果表明1000 oC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 oC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。

　　石墨烯基薄膜可作為柔性面向散熱體材料，滿足LED照明、計算機、衛星電路、激光武器、手持終端設備等高功率、高集成度系統的散熱需求。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。

相關成果發表于《先進功能材料》