圖1. 碳質(zhì)纖維的發(fā)展歷程

石墨烯纖維是由石墨烯片沿一維方向宏觀組裝而成的新型碳質(zhì)纖維。碳質(zhì)纖維的發(fā)展可以追溯到1860年，彼時(shí)斯旺和愛迪生先后將碳絲密封起來，利用碳絲的導(dǎo)電性能和灰體輻射的原理制備出人類歷史上最早的電燈泡。100年后，日本的近藤昭男等人開始了碳纖維的研發(fā)，作為一種具有極高機(jī)械強(qiáng)度和模量的高性能纖維，碳纖維在承重和復(fù)合材料等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。2002年，清華大學(xué)范守善院士提出了將碳納米管作為基本單元組裝宏觀碳質(zhì)纖維的理念，并利用干法牽伸的技術(shù)成功得到宏觀連續(xù)的碳納米管纖維。碳納米管纖維繼承了碳納米管良好的傳導(dǎo)性能，且具有極佳的柔性。2011年，浙江大學(xué)高超教授利用濕法紡絲的技術(shù)制備出宏觀連續(xù)的石墨烯纖維。不同于以往的碳質(zhì)纖維，石墨烯纖維的構(gòu)筑基元是具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、機(jī)械強(qiáng)度等性能的二維晶體石墨烯，纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維有序、致密均一，有潛力將碳質(zhì)纖維的性能推向一個(gè)新階段。

圖2. 石墨烯纖維的眼圖

高超教授團(tuán)隊(duì)用一張眼圖從四個(gè)方面枚舉了石墨烯纖維的特點(diǎn)。從制備技術(shù)上看，石墨烯纖維展現(xiàn)出四大優(yōu)勢（4 advantages）：可以批量生產(chǎn)的氧化石墨烯原料；氧化石墨烯自發(fā)形成的液晶結(jié)構(gòu)；氧化石墨烯原絲的自融合和自愈合能力；種類多樣且成本低廉的還原方法。從形態(tài)上看，通過調(diào)控紡絲的工藝可以得到六種形態(tài)的石墨烯纖維：實(shí)心柱狀、帶狀、中空、螺旋狀、多孔和核殼結(jié)構(gòu)。石墨烯纖維三維有序的結(jié)構(gòu)具有四大優(yōu)點(diǎn)（4 merits）：超大的晶體尺寸；可以嚴(yán)格控制的缺陷密度；內(nèi)外部豐富的褶皺；能夠復(fù)合多種維度的客體分子。在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮功能（X-uses and applications）：多功能織物、輕質(zhì)導(dǎo)線、能量收集及轉(zhuǎn)換、可穿戴儲能裝備、柔性電子器件、神經(jīng)信號記錄微電極等。

圖3. 石墨烯纖維工業(yè)化生產(chǎn)過程中在每個(gè)環(huán)節(jié)中的期望、成果和挑戰(zhàn)

石墨烯纖維的制備的主要原料是氧化石墨烯，其組裝方法多種多樣，目前主流的技術(shù)手段仍然是濕法紡絲。在濕法紡絲過程中，氧化石墨烯經(jīng)過剪切流動(dòng)、凝固成型、牽伸取向等一些工序之后得到結(jié)構(gòu)密實(shí)的氧化石墨烯纖維，再經(jīng)過還原還原和石墨化處理之后即可得到石墨烯纖維。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，石墨烯纖維的單批次生產(chǎn)規(guī)模從數(shù)米長提升到了數(shù)公里長。在將石墨烯纖維的生產(chǎn)推向工業(yè)化的進(jìn)程中，高超教授團(tuán)隊(duì)列舉了現(xiàn)階段在每個(gè)環(huán)節(jié)中已經(jīng)所取得的成果、所遇到的挑戰(zhàn)以及期望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

圖4. 石墨烯纖維結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

高超教授團(tuán)隊(duì)從構(gòu)筑單元的組裝方式出發(fā)詳細(xì)探討了石墨烯纖維結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。如圖4所示，在組裝過程中，石墨烯片的堆疊分為兩種情況，一種是松散堆疊，另一種是緊密堆疊。松散堆疊得到的石墨烯纖維在內(nèi)部和外部會形成豐富的褶皺，通過調(diào)節(jié)褶皺的幅度可以制備高柔性的電子器件，也可以與其它材料實(shí)現(xiàn)緊密的界面結(jié)合，或者負(fù)載其它維度的分子形成具有多種性能的復(fù)合材料。石墨烯片的緊密堆疊可以得到結(jié)構(gòu)致密的高性能纖維。對于高性能的石墨烯纖維纖維，可以進(jìn)一步的從七個(gè)角度出發(fā)對纖維的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，它們分別是：密度、晶界、孔隙率、直徑大小、軸向取向、徑向堆疊以及層間作用力。這些微結(jié)構(gòu)從力學(xué)性能和傳導(dǎo)性能的角度決定著石墨烯纖維的強(qiáng)度、模量、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。

圖5. 石墨烯纖維性能的發(fā)展歷程

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，石墨烯纖維的機(jī)械強(qiáng)度已經(jīng)超過2 GPa，模量達(dá)到400 GPa，導(dǎo)電率達(dá)到一百萬西門子每米的級別，而導(dǎo)熱系數(shù)也超過了1500 W m^-1?K^-1，在某些領(lǐng)域超越傳統(tǒng)的碳質(zhì)纖維。

圖6. 石墨烯纖維已經(jīng)實(shí)現(xiàn)和潛在的結(jié)構(gòu)功能一體化應(yīng)用

從軍用和民用兩個(gè)領(lǐng)域出發(fā)，高超教授團(tuán)隊(duì)綜述并展望了石墨烯纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，主要是結(jié)構(gòu)功能一體化的場景。在軍用領(lǐng)域，比如汽車、輪船、人造衛(wèi)星等，所有需要輕質(zhì)、高強(qiáng)和導(dǎo)熱支撐體的零件都可以用到石墨烯纖維。在民用領(lǐng)域，從依托于良好的導(dǎo)電性能，機(jī)械強(qiáng)度和柔性，石墨烯纖維可以做為輕質(zhì)導(dǎo)線在極寬的溫度范圍內(nèi)工作；另外，石墨烯纖維可以制備成柔性織物穿戴在人體表面，作為纖維狀電池或者電容器的電極實(shí)現(xiàn)儲能器件的可穿戴，可以利用電熱轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)醫(yī)療保健和電磁屏蔽，也可以開發(fā)石墨烯纖維的光電性能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信號傳輸。

文獻(xiàn)鏈接：A Review on Graphene Fibers: Expectations, Advances, and Prospects

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