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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(lái)，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(duì)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(wèn)題，其本體機(jī)械性能也很少得到評(píng)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(duì)較小的疇尺寸。
此外，這類(lèi)材料在冷卻過(guò)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(méi)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(kāi)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(jí)，比傳統(tǒng)的熱解石墨晶粒（微米級(jí)）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(guò)在石墨生長(zhǎng)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(guò)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(jí)研究員 Seong Won Kyung 解釋說(shuō)，“它吸收壓力而不是壓皺石墨?！?/span>
“為了找到合成具有無(wú)皺紋表面和毫米級(jí)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(jí)研究員張立元（音譯）說(shuō)。
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(zhǎng)，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(guò)對(duì)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(cè)試的狗骨頭樣品，”論文合著者孟永強(qiáng)（音譯）解釋說(shuō)?！斑@種控制水平為定制設(shè)備制造和實(shí)際應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。”
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(shù)立了新的性能標(biāo)桿。機(jī)械測(cè)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(guò)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(guò)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(duì)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(jí)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(wú)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(wú)摩擦涂層或先進(jìn)的電池陽(yáng)極。展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)正致力于將生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到米級(jí)薄膜。
“我們相信，我們對(duì)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(shuō)。
信息來(lái)源：Carbontech
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