记者从北京大学获悉,由该校刘忠范院士、孙禄钊博士与清华大学孙波副教授领衔的联合研究团队,高品质石墨材料快速制备领域获得突破。研究团队开发的新型合成技术,有望从根本上改变石墨材料生产周期长、能耗高的产业现状。 长期以来,高定向热解石墨等高品质石墨材料的规模化生产面临两难困境。一上,要获得高结晶完美性的石墨产品,需要经历漫长的热解过程;另一方面,传统工艺中碳原子扩散速率有限,加之高能耗特性,使得生产周期往往长达数天。这个矛盾严重制约了高品质石墨材料在柔性热管理系统、电热执行器、极紫外光刻防护罩以及共形电子皮肤等新兴技术领域的推广应用。 针对这一产业痛点,研究团队提出了脉冲焦耳热诱导渗碳创新策略。该方法的核心在于利用瞬态非平衡态条件,实现金属基底中碳元素的快速扩散与偏析。具体而言,研究人员在涂覆固体碳源的镍箔或钴箔上施加瞬时热冲击,使温度在极短时间内飙升至1300摄氏度以上,升温速率超过每秒300摄氏度。这种极端条件促使碳源快速热解并向金属基体内部扩散,随后通过受控冷却过程触发碳的强制偏析,最终在金属表面形成高品质石墨膜。 实验数据显示,采用新技术后,石墨在11秒内即可完成成核过程,61秒时垂直生长速率达到730纳米每分钟,较传统方法提升一个数量级。通过循环施加温度脉冲,研究团队成功合成了厚度在1至5微米之间的石墨膜,其晶粒尺寸达到毫米级别。更为重要的是,所制备的石墨膜体现出高度有序的晶体结构,热导率达到1314瓦每米每开尔文,性能指标可与高定向热解石墨和基什石墨等传统高品质石墨材料相媲美。 拉曼光谱分析更证实了新方法的技术优势。测试结果表明,石墨膜具有极低的缺陷密度,缺陷峰与石墨峰强度比平均值仅为0.03,石墨峰半高宽为13波数,这些指标均达到高品质石墨的标准。飞行时间二次离子质谱分析则揭示了碳元素在金属基体中的时空演化规律,为理解快速生长机制提供了直接证据。 研究团队还发现,合成的石墨膜可顺利转移至柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯基底上,展现出优异的柔韧性和微米级厚度控制能力。这一特性使其在柔性电子器件领域具有广阔应用前景。 业内专家认为,该研究不仅在基础科学层面阐明了非平衡态条件下碳扩散与偏析的物理机制,更在工程应用层面为高品质石墨材料的规模化、低成本生产提供了可行路径。随着工艺参数的改进和设备的工业化改造,这项技术有望显著缩短石墨材料的生产周期,降低制造成本,推动对应的产业链的技术升级。 从产业发展角度看,快速合成技术的突破将为我国在柔性电子、新能源、半导体制造等战略性新兴产业中赢得技术主动权。特别是在极紫外光刻等关键领域,高品质石墨材料的稳定供应能力直接关系到产业链安全。此次技术突破为解决相关"卡脖子"问题提供了新的解决方案。
这项成果反映了基础研究与应用需求的深度融合；从实验室的毫米级样品到未来的工业化生产，中国科学家正不断开拓材料科学的创新边界。随着更多原创技术的涌现，我国在全球高科技产业中的地位将深入提升。（完）