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。
该研究工作得到了国家自然科学青年基金、中科院知识创新工程前瞻项目、山西省自然科学基金、太原市科技局一流自主创新基地项目的资助。
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