2014年以來，中國科學(xué)院炭材料重點實驗室在石墨烯柔性散熱體領(lǐng)域先后取得重要進(jìn)展。中科院山西煤炭化學(xué)研究所709組與清華大學(xué)和中科院金屬研究所相關(guān)團(tuán)隊合作，結(jié)合石墨烯和碳纖維領(lǐng)域的學(xué)科優(yōu)勢，成功研制出高導(dǎo)熱石墨烯/炭纖維柔性復(fù)合薄膜，相關(guān)成果于3月20日發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Adv. Func. Mater., 2014, 24: 4222-4228），并被選為雜志內(nèi)插頁進(jìn)行重點報道。同時，山西煤化所708組與709組合作，系統(tǒng)研究了氧化石墨烯薄膜在炭化過程中的導(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)成果于7月16日在線發(fā)表于《材料化學(xué)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(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。

一般來講，氧化石墨烯薄膜在退火后熱導(dǎo)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(qiáng)體，把二維的石墨烯作為導(dǎo)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(fù)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10~200 μm之間可控，室溫面向熱導(dǎo)率高達(dá)977 W/m•K，拉伸強(qiáng)度超過15 MPa。這項研究解決了石墨烯導(dǎo)熱應(yīng)用的實際難題，是山西煤化所在石墨烯領(lǐng)域的一項突破。

以氧化石墨烯為前驅(qū)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(fù)其導(dǎo)熱/導(dǎo)電性能。研究結(jié)果表明1000 oC是薄膜性能扭轉(zhuǎn)的關(guān)鍵點，薄膜的性能在該點發(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 oC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(xué)轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)科學(xué)問題，也為石墨烯導(dǎo)熱薄膜的規(guī)模化制備提供了依據(jù)。

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(jī)、衛(wèi)星電路、激光武器、手持終端設(shè)備等高功率、高集成度系統(tǒng)的散熱需求。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)計提供了一個全新視角。

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