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- 发布时间2025-08-22 16:44
- 发布人金彩集团
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石墨因其独特的各向异性特性（包括优异的导电性和导热性）而备受全球关注。石墨广泛用于电池负极材料以及电磁屏蔽、催化和核技术等应用，在工业和研究领域仍然是至关重要的材料。
几十年来，研究人员一直致力于生产具有大晶粒和光滑层状结构的高质量人造石墨。传统方法通常涉及在机械应力下对聚合物薄膜进行高温处理。然而，所得材料通常存在晶粒尺寸有限、密度较低、表面不规则等问题，其本体机械性能也很少得到评估。
另一种众所周知的合成形式，高取向热解石墨（HOPG），具有更好的结晶度，但仍然表现出相对较小的畴尺寸。
此外，这类材料在冷却过程中容易产生褶皱和变形，其特性通常在微观尺度上进行研究——使用剥离的石墨薄片而非完整的石墨膜。因此，科学家们一直难以培育出大而扁平、没有褶皱的石墨晶体——这阻碍了石墨在高科技应用中的全部潜力。
在基础科学研究所（IBS）主任Rodney S. Ruoff的带领下，研究人员开发出一种突破性的方法，可以生产出镜面状的石墨薄膜，其晶粒尺寸为毫米级，比传统的热解石墨晶粒（微米级）大约大10,000倍。该研究成果已发表在《自然通讯》上。
（a）建议的反应路径示意图。（b）实验配置示意图。（c）镜面石墨膜的AFM高度图像和SEM图像。
这一成就的核心是一种巧妙的“多孔基底”策略：通过在石墨生长后从熔融的镍钼合金中选择性蒸发镍，该团队创造了一种海绵状基底，大大削弱了石墨和金属表面之间的相互作用。这有效地消除了冷却过程中的界面应力，防止了薄膜中形成皱纹或扭结。
“多孔基质就像一个垫子，”共同通讯作者高级研究员 Seong Won Kyung 解释说，“它吸收压力而不是压皱石墨。”
“为了找到合成具有无皱纹表面和毫米级晶粒尺寸的镜面石墨的最佳组合，我们尝试了各种金属组合，”第一作者，高级研究员张立元（音译）说。
这些金属包括碳溶解度高的金属，例如铁、镍和钴，以及熔点高的金属，例如钯、钼、钒和钨。研究发现，镍钼（Ni-Mo）金属组合可提供最佳条件。
该工艺还能够实现超快速生长，达到每秒 6.2 层的速度，比传统方法快 20 多倍，适合大面积和可扩展生产。
“此外，通过对用于形成合金熔体的金属箔进行预制图案化，研究人员可以将石墨膜定制成复杂的形状，例如用于机械测试的狗骨头样品，”论文合著者孟永强（音译）解释说。“这种控制水平为定制设备制造和实际应用打开了大门。”
论文第一作者王美辉（音译）博士指出：“由此制备的石墨薄膜树立了新的性能标杆。机械测试表明，其杨氏模量为969 GPa，拉伸强度为1.29 GPa，接近单晶石墨的理论极限，并超过了之前报道的所有宏观合成石墨。”
该薄膜还表现出优异的平面热导率，高达 2,034 W/m·K，超过铜的水平，电导率也高达 22,500 S/cm。这项研究有望实现大面积、定制化生产高质量石墨薄膜，对各个工业领域产生重大的连锁反应。
这项研究重新定义了合成石墨的极限，实现了毫米级的晶粒尺寸——远大于高取向热解石墨 (HOPG)，堪比稀有的天然石墨晶体。然而，与天然材料不同的是，这里制备的薄膜具有精确控制的形状、厚度和纯度，标志着材料设计和性能的重大飞跃。
其潜在应用范围广泛。无缺陷、高纯度的石墨薄膜可以彻底改变高功率电子设备（例如人工智能芯片）的热管理，可用作微机电系统 (MEMS) 和传感器中的超强导电组件，并可制成无摩擦涂层或先进的电池阳极。展望未来，该团队正致力于将生产规模扩大到米级薄膜。
“我们相信，我们对高质量石墨的基础研究将为全球其他研究小组的深入研究奠定基础，并设想它将成为石墨应用研究的基石，”Ruoff 主任说。
信息来源：Carbontech
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