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- 發(fā)布時(shí)間2025-08-22 16:44
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石墨因其獨(dú)特的各向異性特性（包括優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性）而備受全球關(guān)注。石墨廣泛用于電池負(fù)極材料以及電磁屏蔽、催化和核技術(shù)等應(yīng)用，在工業(yè)和研究領(lǐng)域仍然是至關(guān)重要的材料。
幾十年來，研究人員一直致力于生產(chǎn)具有大晶粒和光滑層狀結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量人造石墨。傳統(tǒng)方法通常涉及在機(jī)械應(yīng)力下對聚合物薄膜進(jìn)行高溫處理。然而，所得材料通常存在晶粒尺寸有限、密度較低、表面不規(guī)則等問題，其本體機(jī)械性能也很少得到評估。
另一種眾所周知的合成形式，高取向熱解石墨（HOPG），具有更好的結(jié)晶度，但仍然表現(xiàn)出相對較小的疇尺寸。
此外，這類材料在冷卻過程中容易產(chǎn)生褶皺和變形，其特性通常在微觀尺度上進(jìn)行研究——使用剝離的石墨薄片而非完整的石墨膜。因此，科學(xué)家們一直難以培育出大而扁平、沒有褶皺的石墨晶體——這阻礙了石墨在高科技應(yīng)用中的全部潛力。
在基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）主任Rodney S. Ruoff的帶領(lǐng)下，研究人員開發(fā)出一種突破性的方法，可以生產(chǎn)出鏡面狀的石墨薄膜，其晶粒尺寸為毫米級，比傳統(tǒng)的熱解石墨晶粒（微米級）大約大10,000倍。該研究成果已發(fā)表在《自然通訊》上。
（a）建議的反應(yīng)路徑示意圖。（b）實(shí)驗(yàn)配置示意圖。（c）鏡面石墨膜的AFM高度圖像和SEM圖像。
這一成就的核心是一種巧妙的“多孔基底”策略：通過在石墨生長后從熔融的鎳鉬合金中選擇性蒸發(fā)鎳，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種海綿狀基底，大大削弱了石墨和金屬表面之間的相互作用。這有效地消除了冷卻過程中的界面應(yīng)力，防止了薄膜中形成皺紋或扭結(jié)。
“多孔基質(zhì)就像一個(gè)墊子，”共同通訊作者高級研究員 Seong Won Kyung 解釋說，“它吸收壓力而不是壓皺石墨?！?/span>
“為了找到合成具有無皺紋表面和毫米級晶粒尺寸的鏡面石墨的最佳組合，我們嘗試了各種金屬組合，”第一作者，高級研究員張立元（音譯）說。
這些金屬包括碳溶解度高的金屬，例如鐵、鎳和鈷，以及熔點(diǎn)高的金屬，例如鈀、鉬、釩和鎢。研究發(fā)現(xiàn)，鎳鉬（Ni-Mo）金屬組合可提供最佳條件。
該工藝還能夠?qū)崿F(xiàn)超快速生長，達(dá)到每秒 6.2 層的速度，比傳統(tǒng)方法快 20 多倍，適合大面積和可擴(kuò)展生產(chǎn)。
“此外，通過對用于形成合金熔體的金屬箔進(jìn)行預(yù)制圖案化，研究人員可以將石墨膜定制成復(fù)雜的形狀，例如用于機(jī)械測試的狗骨頭樣品，”論文合著者孟永強(qiáng)（音譯）解釋說。“這種控制水平為定制設(shè)備制造和實(shí)際應(yīng)用打開了大門?！?/span>
論文第一作者王美輝（音譯）博士指出：“由此制備的石墨薄膜樹立了新的性能標(biāo)桿。機(jī)械測試表明，其楊氏模量為969 GPa，拉伸強(qiáng)度為1.29 GPa，接近單晶石墨的理論極限，并超過了之前報(bào)道的所有宏觀合成石墨?！?/span>
該薄膜還表現(xiàn)出優(yōu)異的平面熱導(dǎo)率，高達(dá) 2,034 W/m·K，超過銅的水平，電導(dǎo)率也高達(dá) 22,500 S/cm。這項(xiàng)研究有望實(shí)現(xiàn)大面積、定制化生產(chǎn)高質(zhì)量石墨薄膜，對各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生重大的連鎖反應(yīng)。
這項(xiàng)研究重新定義了合成石墨的極限，實(shí)現(xiàn)了毫米級的晶粒尺寸——遠(yuǎn)大于高取向熱解石墨 (HOPG)，堪比稀有的天然石墨晶體。然而，與天然材料不同的是，這里制備的薄膜具有精確控制的形狀、厚度和純度，標(biāo)志著材料設(shè)計(jì)和性能的重大飛躍。
其潛在應(yīng)用范圍廣泛。無缺陷、高純度的石墨薄膜可以徹底改變高功率電子設(shè)備（例如人工智能芯片）的熱管理，可用作微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 和傳感器中的超強(qiáng)導(dǎo)電組件，并可制成無摩擦涂層或先進(jìn)的電池陽極。展望未來，該團(tuán)隊(duì)正致力于將生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到米級薄膜。
“我們相信，我們對高質(zhì)量石墨的基礎(chǔ)研究將為全球其他研究小組的深入研究奠定基礎(chǔ)，并設(shè)想它將成為石墨應(yīng)用研究的基石，”Ruoff 主任說。
信息來源：Carbontech
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