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| 山西煤化所石墨烯導熱研究取得進(jìn)展 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2014-07-24 10:23:46 瀏覽次數： |
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高導熱石墨烯/炭纖維柔性復合薄膜 2014年以來(lái)，中國科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)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)團隊合作，結合石墨烯和碳纖維領(lǐng)域的學(xué)科優(yōu)勢，成功研制出高導熱石墨烯/炭纖維柔性復合薄膜，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），并被選為雜志內插頁(yè)進(jìn)行重點(diǎn)報道。同時(shí)，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(guò)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(guān)成果于7月16日在線(xiàn)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，其低維結構可顯著(zhù)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(xué)性能使石墨烯在熱管理領(lǐng)域極具發(fā)展潛力，但這些性能都是基于微觀(guān)的納米尺度，難以直接利用。因此，將納米的石墨烯宏觀(guān)組裝形成薄膜材料，同時(shí)保持其納米效應是石墨烯規?；瘧玫闹匾緩?。
一般來(lái)講，氧化石墨烯薄膜在退火后熱導率會(huì )提升，但也變得脆而易碎。但如果把一維的炭纖維作為結構增強體，把二維的石墨烯作為導熱功能單元，通過(guò)自組裝技術(shù)，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(lèi)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(guò)15 MPa。這項研究解決了石墨烯導熱應用的實(shí)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體很容易獲得薄膜材料，但這種材料需通過(guò)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(guān)鍵點(diǎn)，薄膜的性能在該點(diǎn)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 oC時(shí)提升到1043.5 W/m•K。這一發(fā)現不僅解決了石墨烯熱化學(xué)轉變的基礎科學(xué)問(wèn)題，也為石墨烯導熱薄膜的規?；苽涮峁┝艘罁?。
石墨烯基薄膜可作為柔性面向散熱體材料，滿(mǎn)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(gè)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。
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