近(jin)期(qi)，浙江(jiang)大學(xue)高超(chao)教(jiao)授團隊應邀在(zai)國際材(cai)料(liao)(liao)學(xue)領域頂級期(qi)刊《先(xian)進材(cai)料(liao)(liao)》（Advanced Materials）發(fa)表有關(guan)石墨烯(xi)纖(xian)(xian)維(wei)的(de)綜述。高超(chao)教(jiao)授團隊在(zai)綜述中從(cong)四個角度呈現了石墨烯(xi)纖(xian)(xian)維(wei)的(de)特(te)點：制(zhi)備(bei)技術、形態控制(zhi)、結(jie)構(gou)與性能(neng)的(de)關(guan)系以及結(jie)構(gou)功能(neng)一(yi)體化。

1. 背(bei)景

 

圖1. 碳質纖維的發展(zhan)歷程。

石(shi)(shi)(shi)墨烯纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)是(shi)由石(shi)(shi)(shi)墨烯片沿一維(wei)(wei)(wei)方向宏觀組裝而(er)成的(de)(de)(de)新(xin)型碳(tan)(tan)質纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)。碳(tan)(tan)質纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)發(fa)展可以追溯(su)到1860年(nian)，彼時斯旺和愛迪生先(xian)后(hou)將(jiang)碳(tan)(tan)絲(si)(si)密封起來，利用(yong)(yong)碳(tan)(tan)絲(si)(si)的(de)(de)(de)導電(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)和灰(hui)體輻射的(de)(de)(de)原(yuan)理(li)制(zhi)備出(chu)人類歷(li)史(shi)上最(zui)早的(de)(de)(de)電(dian)(dian)燈泡。100年(nian)后(hou)，日本的(de)(de)(de)近藤昭男等(deng)人開始(shi)了(le)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)研發(fa)，作(zuo)為(wei)一種具有極(ji)高(gao)機(ji)械強(qiang)度(du)和模(mo)量(liang)的(de)(de)(de)高(gao)性(xing)(xing)(xing)能(neng)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)，碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)在(zai)承重和復合材料等(deng)領(ling)域發(fa)揮著重要的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)。2002年(nian)，清華大學(xue)范守善院(yuan)士提(ti)出(chu)了(le)將(jiang)碳(tan)(tan)納(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)作(zuo)為(wei)基本單元(yuan)組裝宏觀碳(tan)(tan)質纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)理(li)念，并利用(yong)(yong)干法牽伸的(de)(de)(de)技術成功得到宏觀連續(xu)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)納(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)。碳(tan)(tan)納(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)繼承了(le)碳(tan)(tan)納(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)傳導性(xing)(xing)(xing)能(neng)，且具有極(ji)佳(jia)的(de)(de)(de)柔(rou)性(xing)(xing)(xing)。2011年(nian)，浙江大學(xue)高(gao)超教授利用(yong)(yong)濕法紡絲(si)(si)的(de)(de)(de)技術制(zhi)備出(chu)宏觀連續(xu)的(de)(de)(de)石(shi)(shi)(shi)墨烯纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)。不同于以往的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)質纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)，石(shi)(shi)(shi)墨烯纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)構筑基元(yuan)是(shi)具有良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)導電(dian)(dian)、導熱、機(ji)械強(qiang)度(du)等(deng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)二(er)維(wei)(wei)(wei)晶(jing)體石(shi)(shi)(shi)墨烯，纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)內(nei)部結構三維(wei)(wei)(wei)有序(xu)、致密均一，有潛(qian)力將(jiang)碳(tan)(tan)質纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)推向一個新(xin)階段(duan)。

2. 4A、6T、4M和X-uses

 

圖(tu)2. 石墨烯(xi)纖(xian)維的眼(yan)圖(tu)。

高(gao)超(chao)教授(shou)團隊用一張眼圖(tu)從(cong)四個(ge)方(fang)面枚舉了石(shi)(shi)墨(mo)烯纖(xian)維的特點。從(cong)制備(bei)技術上(shang)看(kan)，石(shi)(shi)墨(mo)烯纖(xian)維展現出四大優勢(shi)（4 advantages）：可以批(pi)量生產(chan)的氧化石(shi)(shi)墨(mo)烯原(yuan)料(liao)；氧化石(shi)(shi)墨(mo)烯自(zi)發形成的液晶(jing)結構；氧化石(shi)(shi)墨(mo)烯原(yuan)絲的自(zi)融合(he)和(he)自(zi)愈(yu)合(he)能(neng)(neng)力(li)；種(zhong)類多樣(yang)且成本(ben)低廉的還原(yuan)方(fang)法(fa)。從(cong)形態上(shang)看(kan)，通過調控紡絲的工藝(yi)可以得到(dao)六種(zhong)形態的石(shi)(shi)墨(mo)烯纖(xian)維：實心柱狀、帶狀、中空、螺(luo)旋(xuan)狀、多孔和(he)核(he)殼結構。石(shi)(shi)墨(mo)烯纖(xian)維三(san)維有序的結構具有四大優點（4 merits）：超(chao)大的晶(jing)體尺寸(cun)；可以嚴格控制的缺陷(xian)密(mi)度；內(nei)外部豐富的褶皺；能(neng)(neng)夠復(fu)合(he)多種(zhong)維度的客(ke)體分(fen)子。在(zai)多個(ge)領(ling)域發揮功(gong)能(neng)(neng)（X-uses and applications）：多功(gong)能(neng)(neng)織物(wu)、輕質導線、能(neng)(neng)量收集及(ji)轉換、可穿(chuan)戴儲能(neng)(neng)裝備(bei)、柔(rou)性電子器件、神經信號記(ji)錄(lu)微電極等。

3. 石墨烯纖維的工程化(hua)

 

圖3. 石墨烯纖維工業化生產過程中(zhong)在每個環節中(zhong)的(de)期望、成果和(he)挑戰。

石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)纖(xian)維(wei)的制備(bei)的主(zhu)要(yao)原料是氧化(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)，其組裝方法(fa)多(duo)種多(duo)樣，目前主(zhu)流的技術手段(duan)仍然是濕法(fa)紡絲(si)。在(zai)濕法(fa)紡絲(si)過(guo)程中，氧化(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)經(jing)(jing)過(guo)剪(jian)切(qie)流動、凝固成型、牽伸取向等一些工序之后得(de)到結構密實(shi)的氧化(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)纖(xian)維(wei)，再(zai)經(jing)(jing)過(guo)還(huan)原還(huan)原和石(shi)(shi)墨(mo)化(hua)處(chu)理之后即(ji)可得(de)到石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)纖(xian)維(wei)。經(jing)(jing)過(guo)數(shu)(shu)年的發(fa)展(zhan)，石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)纖(xian)維(wei)的單批(pi)次(ci)生產規模從數(shu)(shu)米長提升到了(le)數(shu)(shu)公(gong)里(li)長。在(zai)將石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)纖(xian)維(wei)的生產推向工業(ye)化(hua)的進程中，高超(chao)教授(shou)團隊列舉了(le)現(xian)階段(duan)在(zai)每個(ge)環節中已經(jing)(jing)所取得(de)的成果、所遇(yu)到的挑戰以及期(qi)望實(shi)現(xian)的目標。

4. 結構(gou)與性能的關系

 

圖4. 石墨(mo)烯纖維(wei)結構與性能的關系。

高(gao)超教授團隊從構筑單元(yuan)的(de)(de)(de)組(zu)裝方式出發詳細探討了石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯纖(xian)維(wei)結(jie)構與性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)關系。如圖4所示，在(zai)組(zu)裝過程中，石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯片的(de)(de)(de)堆(dui)(dui)疊(die)(die)分為兩種情況，一(yi)種是松散堆(dui)(dui)疊(die)(die)，另一(yi)種是緊密(mi)(mi)堆(dui)(dui)疊(die)(die)。松散堆(dui)(dui)疊(die)(die)得(de)到的(de)(de)(de)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯纖(xian)維(wei)在(zai)內部和外部會形成豐(feng)富(fu)的(de)(de)(de)褶皺(zhou)，通過調(diao)節褶皺(zhou)的(de)(de)(de)幅度(du)可以(yi)(yi)(yi)制備(bei)高(gao)柔性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)電(dian)子器件，也可以(yi)(yi)(yi)與其它(ta)材(cai)料實現緊密(mi)(mi)的(de)(de)(de)界面結(jie)合，或(huo)者負載其它(ta)維(wei)度(du)的(de)(de)(de)分子形成具有多種性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)復合材(cai)料。石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯片的(de)(de)(de)緊密(mi)(mi)堆(dui)(dui)疊(die)(die)可以(yi)(yi)(yi)得(de)到結(jie)構致密(mi)(mi)的(de)(de)(de)高(gao)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)纖(xian)維(wei)。對(dui)(dui)于(yu)高(gao)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯纖(xian)維(wei)纖(xian)維(wei)，可以(yi)(yi)(yi)進一(yi)步的(de)(de)(de)從七個角度(du)出發對(dui)(dui)纖(xian)維(wei)的(de)(de)(de)結(jie)構進行優化，它(ta)們分別是：密(mi)(mi)度(du)、晶界、孔隙率、直徑大小(xiao)、軸向(xiang)取向(xiang)、徑向(xiang)堆(dui)(dui)疊(die)(die)以(yi)(yi)(yi)及層間作用力。這(zhe)些微結(jie)構從力學性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)和傳導性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)角度(du)決定著石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯纖(xian)維(wei)的(de)(de)(de)強(qiang)度(du)、模量、導熱和導電(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)。

 

圖5. 石墨烯纖維性能的發展歷程。

通(tong)過(guo)結構(gou)優化(hua)，石墨(mo)烯纖(xian)維的(de)(de)機械強度已經超(chao)(chao)過(guo)2 GPa，模量(liang)達到400 GPa，導電率達到一百萬西(xi)門(men)子每米的(de)(de)級(ji)別，而導熱系數也超(chao)(chao)過(guo)了1500 W m-1 K-1，在(zai)某些領(ling)域超(chao)(chao)越傳統(tong)的(de)(de)碳質(zhi)纖(xian)維。

5. 總(zong)結和展望

 

圖6. 石墨烯纖維已經實現和潛在的(de)結構功能(neng)一體(ti)化應用。

從軍(jun)用和(he)(he)民用兩(liang)個領域出發，高超教授團隊綜述并(bing)展望了石(shi)墨(mo)烯(xi)纖維的(de)(de)(de)應用領域，主要是結構(gou)功能(neng)(neng)一體(ti)(ti)化的(de)(de)(de)場景(jing)。在(zai)(zai)軍(jun)用領域，比如汽車、輪船、人造衛星等，所有需要輕(qing)質(zhi)、高強和(he)(he)導(dao)熱(re)(re)支撐(cheng)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)零件都可(ke)(ke)(ke)以(yi)用到石(shi)墨(mo)烯(xi)纖維。在(zai)(zai)民用領域，從依托于良好的(de)(de)(de)導(dao)電性能(neng)(neng)，機(ji)械強度和(he)(he)柔性，石(shi)墨(mo)烯(xi)纖維可(ke)(ke)(ke)以(yi)做為輕(qing)質(zhi)導(dao)線在(zai)(zai)極寬的(de)(de)(de)溫度范圍內工(gong)作；另外，石(shi)墨(mo)烯(xi)纖維可(ke)(ke)(ke)以(yi)制備成柔性織物穿(chuan)(chuan)戴(dai)在(zai)(zai)人體(ti)(ti)表面，作為纖維狀電池或者電容器(qi)的(de)(de)(de)電極實(shi)(shi)現儲能(neng)(neng)器(qi)件的(de)(de)(de)可(ke)(ke)(ke)穿(chuan)(chuan)戴(dai)，可(ke)(ke)(ke)以(yi)利用電熱(re)(re)轉換實(shi)(shi)現醫(yi)療保(bao)健和(he)(he)電磁屏蔽，也可(ke)(ke)(ke)以(yi)開(kai)發石(shi)墨(mo)烯(xi)纖維的(de)(de)(de)光電性能(neng)(neng)實(shi)(shi)現遠距離的(de)(de)(de)信號傳輸(shu)。

該(gai)綜述是納高研究團隊對近(jin)十年來(lai)石墨(mo)烯(xi)纖維領(ling)域研究工作的(de)(de)(de)(de)系統總(zong)結(jie)，對該(gai)領(ling)域的(de)(de)(de)(de)發(fa)展問題(ti)(ti)進行了剖析，并對石墨(mo)烯(xi)纖維的(de)(de)(de)(de)未來(lai)發(fa)展趨勢進行了展望(wang)。論文的(de)(de)(de)(de)共(gong)(gong)同第(di)一作者為浙江大學高分子(zi)科(ke)學與(yu)工程(cheng)學系納米(mi)高分子(zi)高超(chao)課(ke)題(ti)(ti)組(zu)的(de)(de)(de)(de)方波博士和博士生暢(chang)丹，許(xu)震特(te)聘(pin)研究員和高超(chao)教授為共(gong)(gong)同通訊。該(gai)研究工作獲(huo)得國家自然科(ke)學基金(jin)及科(ke)技(ji)部重點專項基金(jin)的(de)(de)(de)(de)資(zi)助。

更多精彩：//shengdadianzi.cn

防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)公司(si)(si) 防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)工(gong)(gong)程,3PE管道防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu),tpep,防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu),保溫,煤化工(gong)(gong),防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)工(gong)(gong)程,管道防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu),鋼(gang)結構防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu),儲(chu)罐(guan)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu),防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)火,防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)水(shui),石油化工(gong)(gong)設備安裝,電(dian)力(li)承(cheng)修(xiu)(xiu)(xiu),水(shui)下清(qing)洗(xi)(xi),艦(jian)船清(qing)洗(xi)(xi),石油平臺清(qing)洗(xi)(xi),鋼(gang)結構安裝,3pe防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)鋼(gang)管廠(chang)家,防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)工(gong)(gong)程公司(si)(si).線(xian)(xian)塔(ta)(ta)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)，儲(chu)罐(guan)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)，橋梁(liang)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)，電(dian)廠(chang)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)，高壓(ya)線(xian)(xian)塔(ta)(ta)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)施工(gong)(gong)，儲(chu)油罐(guan)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)火清(qing)洗(xi)(xi)施工(gong)(gong)，電(dian)廠(chang)檢修(xiu)(xiu)(xiu)。鐵塔(ta)(ta)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)，防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)公司(si)(si),鐵塔(ta)(ta)的防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)維修(xiu)(xiu)(xiu),高壓(ya)線(xian)(xian)塔(ta)(ta)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)維修(xiu)(xiu)(xiu)。塔(ta)(ta)架防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)，塔(ta)(ta)桿防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)，桿塔(ta)(ta)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)。儲(chu)油罐(guan)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)火清(qing)洗(xi)(xi)施工(gong)(gong)，電(dian)廠(chang)檢修(xiu)(xiu)(xiu)。鐵塔(ta)(ta)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)，鐵塔(ta)(ta)的防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)維修(xiu)(xiu)(xiu),高壓(ya)線(xian)(xian)塔(ta)(ta)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)維修(xiu)(xiu)(xiu)