石墨烯是二維sp2鍵和的單層碳原子晶體，與三維材料不同，其低維結構可顯著削減晶界處聲子的邊界散射，并賦予其特殊的聲子擴散模式。研究表明，室溫下石墨烯的熱導率(K)已超越塊體石墨(2000 W/m·K)、碳納米管(3000~3500 W/m·K)和鉆石等同素異形體的極限，達到5300 W/m·K，遠超銀(429 W/m·K)和銅(401 W/m·K)等金屬材料。優異的導熱和力學性能使石墨烯在熱管理領域極具發展潛力，但這些性能都是基于微觀的納米尺度，難以直接利用。因此，將納米的石墨烯宏觀組裝形成薄膜材料，同時保持其納米效應是石墨烯規模化應用的重要途徑。

一般來講，氧化石墨烯薄膜在退火后熱導率會提升，但也變得脆而易碎。但如果把一維的炭纖維作為結構增強體，把二維的石墨烯作為導熱功能單元，通過自組裝技術，就可構建結構/功能一體化的炭/炭復合薄膜。這種全炭薄膜具有類似于鋼筋混凝土的多級結構，其厚度在10~200μm可控，室溫面向熱導率高達977 W/m·K，拉伸強度超過15 MPa。這項研究解決了石墨烯導熱應用的實際難題，是山西煤化所在石墨烯領域的一項突破。

研究結果表明1000 ℃是薄膜性能扭轉的關鍵點，薄膜的性能在該點發生質變，面向熱導率由6.1 W/m·K迅速躍遷至862.5 W/m·K，并在1200 ℃時提升到1043.5 W/m·K。這一發現不僅解決了石墨烯熱化學轉變的基礎科學問題，也為石墨烯導熱薄膜的規模化制備提供了依據。這些研究成果為結構/功能一體化的炭/炭復合材料的設計提供了一個全新視角。

該研究工作得到了國家自然科學青年基金、中科院知識創新工程前瞻項目、山西省自然科學基金、太原市科技局一流自主創新基地項目的資助。