石墨烯纤维的诞生、发展与展望
2019-08-16 01:40:41
changyuan
浙江大学高超教授团队发表AM综述：石墨烯纤维的诞生、发展与展望
近期，浙江大学高超教授团队应邀在国际材料学领域顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）发表有关石墨烯纤维的综述。高超教授团队在综述中从四个角度呈现了石墨烯纤维的特点：制备技术、形态控制、结构与性能的关系以及结构功能一体化。
1. 背景
图1. 碳质纤维的发展历程。
石墨烯纤维是由石墨烯片沿一维方向宏观组装而成的新型碳质纤维。碳质纤维的发展可以追溯到1860年，彼时斯旺和爱迪生先后将碳丝密封起来，利用碳丝的导电性能和灰体辐射的原理制备出人类历史上最早的电灯泡。100年后，日本的近藤昭男等人开始了碳纤维的研发，作为一种具有极高机械强度和模量的高性能纤维，碳纤维在承重和复合材料等领域发挥着重要的作用。2002年，清华大学范守善院士提出了将碳纳米管作为基本单元组装宏观碳质纤维的理念，并利用干法牵伸的技术成功得到宏观连续的碳纳米管纤维。碳纳米管纤维继承了碳纳米管良好的传导性能，且具有极佳的柔性。2011年，浙江大学高超教授利用湿法纺丝的技术制备出宏观连续的石墨烯纤维。不同于以往的碳质纤维，石墨烯纤维的构筑基元是具有良好的导电、导热、机械强度等性能的二维晶体石墨烯，纤维的内部结构三维有序、致密均一，有潜力将碳质纤维的性能推向一个新阶段。
2. 4A、6T、4M和X-uses
图2. 石墨烯纤维的眼图。
高超教授团队用一张眼图从四个方面枚举了石墨烯纤维的特点。从制备技术上看，石墨烯纤维展现出四大优势（4 advantages）：可以批量生产的氧化石墨烯原料；氧化石墨烯自发形成的液晶结构；氧化石墨烯原丝的自融合和自愈合能力；种类多样且成本低廉的还原方法。从形态上看，通过调控纺丝的工艺可以得到六种形态的石墨烯纤维：实心柱状、带状、中空、螺旋状、多孔和核壳结构。石墨烯纤维三维有序的结构具有四大优点（4 merits）：超大的晶体尺寸；可以严格控制的缺陷密度；内外部丰富的褶皱；能够复合多种维度的客体分子。在多个领域发挥功能（X-uses and applications）：多功能织物、轻质导线、能量收集及转换、可穿戴储能装备、柔性电子器件、神经信号记录微电极等。
3. 石墨烯纤维的工程化
图3. 石墨烯纤维工业化生产过程中在每个环节中的期望、成果和挑战。
石墨烯纤维的制备的主要原料是氧化石墨烯，其组装方法多种多样，目前主流的技术手段仍然是湿法纺丝。在湿法纺丝过程中，氧化石墨烯经过剪切流动、凝固成型、牵伸取向等一些工序之后得到结构密实的氧化石墨烯纤维，再经过还原还原和石墨化处理之后即可得到石墨烯纤维。经过数年的发展，石墨烯纤维的单批次生产规模从数米长提升到了数公里长。在将石墨烯纤维的生产推向工业化的进程中，高超教授团队列举了现阶段在每个环节中已经所取得的成果、所遇到的挑战以及期望实现的目标。
4. 结构与性能的关系
图4. 石墨烯纤维结构与性能的关系。
高超教授团队从构筑单元的组装方式出发详细探讨了石墨烯纤维结构与性能的关系。如图4所示，在组装过程中，石墨烯片的堆叠分为两种情况，一种是松散堆叠，另一种是紧密堆叠。松散堆叠得到的石墨烯纤维在内部和外部会形成丰富的褶皱，通过调节褶皱的幅度可以制备高柔性的电子器件，也可以与其它材料实现紧密的界面结合，或者负载其它维度的分子形成具有多种性能的复合材料。石墨烯片的紧密堆叠可以得到结构致密的高性能纤维。对于高性能的石墨烯纤维纤维，可以进一步的从七个角度出发对纤维的结构进行优化，它们分别是：密度、晶界、孔隙率、直径大小、轴向取向、径向堆叠以及层间作用力。这些微结构从力学性能和传导性能的角度决定着石墨烯纤维的强度、模量、导热和导电性能。
图5. 石墨烯纤维性能的发展历程。
通过结构优化，石墨烯纤维的机械强度已经超过2 GPa，模量达到400 GPa，导电率达到一百万西门子每米的级别，而导热系数也超过了1500 W m-1 K-1，在某些领域超越传统的碳质纤维。
5. 总结和展望
图6. 石墨烯纤维已经实现和潜在的结构功能一体化应用。
从军用和民用两个领域出发，高超教授团队综述并展望了石墨烯纤维的应用领域，主要是结构功能一体化的场景。在军用领域，比如汽车、轮船、人造卫星等，所有需要轻质、高强和导热支撑体的零件都可以用到石墨烯纤维。在民用领域，从依托于良好的导电性能，机械强度和柔性，石墨烯纤维可以做为轻质导线在极宽的温度范围内工作；另外，石墨烯纤维可以制备成柔性织物穿戴在人体表面，作为纤维状电池或者电容器的电极实现储能器件的可穿戴，可以利用电热转换实现医疗保健和电磁屏蔽，也可以开发石墨烯纤维的光电性能实现远距离的信号传输。
该综述是纳高研究团队对近十年来石墨烯纤维领域研究工作的系统总结，对该领域的发展问题进行了剖析，并对石墨烯纤维的未来发展趋势进行了展望。论文的共同第一作者为浙江大学高分子科学与工程学系纳米高分子高超课题组的方波博士和博士生畅丹，许震特聘研究员和高超教授为共同通讯。该研究工作获得国家自然科学基金及科技部重点专项基金的资助。
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