石墨烯是已知強度最高的材料之一,同時還具有很好的韌性,且可以彎曲,石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa,固有的拉伸強度為130GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強度,平均模量可大0.25TPa。由石墨烯薄片組成的石墨紙擁有很多的孔,因而石墨紙顯得很脆,然而,經氧化得到功能化石墨烯,再由功能化石墨烯做成石墨紙則會異常堅固強韌。

石墨烯具有非常好的熱傳導性能。純的無缺陷的單層石墨烯的導熱系數高達5300W/mK,是為止導熱系數最高的碳材料,高于單壁碳納米管和多壁碳納米管。當它作為載體時,導熱系數也可達600W/mK。此外,石墨烯的彈道熱導率可以使單位圓周和長度的碳納米管的彈道熱導率的下限下移。

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