新型碳/碳复合—石墨烯插层碳纳米管薄膜实现同具优异机械和传输性能
碳纳米管（CNT）与石墨烯作为碳纳米材料家族的核心成员，凭借独特结构展现出优异性能，却存在天然性能短板：一维结构的 CNT 薄膜虽因管状构型和大长径比具备高拉伸强度，但其热传导受限于界面声子散射，导热系数偏低；二维的石墨烯薄膜经高温石墨化后热导率可达 5000 W/m・K，却因层间结合力弱导致拉伸强度不足。
电子器件微型化、柔性储能等领域对材料提出 “结构 – 功能一体化” 需求，既需力学支撑又要高效热 / 电传输，单一碳材料难以满足。现有复合策略多依赖物理混合或化学沉积，常面临分散不均、界面结合弱等问题，协同效应受限。如何通过结构调控实现性能互补成为研究关键。石墨烯与 CNT 的维度差异可构建多维网络，但其均匀复合与界面优化仍是瓶颈。开发简便且可控的制备方法，强化二者界面负载传递与电子 / 声子传导，对突破材料性能局限、拓展高端应用具有重要意义。
近日，华东理工大学王健农教授团队在石墨烯 / CNT 复合薄膜材料领域取得新进展。碳纳米管（CNT）薄膜现已开发出具有高拉伸强度但低导热系数的碳纳米管薄膜，而石墨烯薄膜则具有低拉伸强度但高导热系数，在极高温度下通过石墨化。研究提出了一种同时制备具有高力学性能和传输性能的石墨烯/碳纳米管复合薄膜的简便策略。这是通过将碳纳米管薄膜逐层缠绕，并插入石墨烯薄片来完成的。结果表明，通过控制石墨烯的含量和尺寸、CNT 排列和堆积密度，得到的石墨烯/CNT 复合膜在取向方向上可以具有 6.67 GPa 的高拉伸强度、4.74 N tex−1 的比强度和 284 MJ m−3 的超高韧性。此外，复合薄膜还可以在仅 1 μm 的厚度下提供 753.23 W m−1 K−1 的高导热系数和 35 dB 的电磁干扰屏蔽。这些机械和传输性能的结合优于以前的相关材料，可归因于石墨烯的均匀插层，这加强了负载传递和电子/声子电导率的界面相互作用。这种复合薄膜在需要优先考虑结构和功能集成的地方可以具有广泛的应用。研究成果以“Carbon nanotube films with superior mechanical and transport properties achieved by graphene intercalation”为题，发表在《Carbon》上。
石墨烯均匀插层强化了界面负载传递与电子/声子传导，实现性能互补，突破传统复合材料的局限。该研究为多维碳材料的结构设计提供了新思路，推动了柔性电子、高效热管理及电磁屏蔽等领域的技术发展。