石墨烯纖維的誕生、發(fā)展與展望

浙江大學高超教授團隊發(fā)表AM綜述：石墨烯纖維的誕生、發(fā)展與展望

2019-08-16 09:32:16 作者：本網(wǎng)整理來源：

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近期，浙江大學高超教授團隊應邀在國際材料學領域頂級期刊《先進材料》（Advanced Materials）發(fā)表有關石墨烯纖維的綜述。高超教授團隊在綜述中從四個角度呈現(xiàn)了石墨烯纖維的特點：制備技術(shù)、形態(tài)控制、結(jié)構(gòu)與性能的關系以及結(jié)構(gòu)功能一體化。

1. 背景

 

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，彼時斯旺和愛迪生先后將碳絲密封起來，利用碳絲的導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械強度和模量的高性能纖維，碳纖維在承重和復合材料等領域發(fā)揮著重要的作用。2002年，清華大學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性能，且具有極佳的柔性。2011年，浙江大學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電、導熱、機械強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新階段。

2. 4A、6T、4M和X-uses

 

圖2. 石墨烯纖維的眼圖。

高超教授團隊用一張眼圖從四個方面枚舉了石墨烯纖維的特點。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（4 merits）：超大的晶體尺寸；可以嚴格控制的缺陷密度；內(nèi)外部豐富的褶皺；能夠復合多種維度的客體分子。在多個領域發(fā)揮功能（X-uses and applications）：多功能織物、輕質(zhì)導線、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。

3. 石墨烯纖維的工程化

 

圖3. 石墨烯纖維工業(yè)化生產(chǎn)過程中在每個環(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、凝固成型、牽伸取向等一些工序之后得到結(jié)構(gòu)密實的氧化石墨烯纖維，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)化的進程中，高超教授團隊列舉了現(xiàn)階段在每個環(huán)節(jié)中已經(jīng)所取得的成果、所遇到的挑戰(zhàn)以及期望實現(xiàn)的目標。

4. 結(jié)構(gòu)與性能的關系

 

圖4. 石墨烯纖維結(jié)構(gòu)與性能的關系。

高超教授團隊從構(gòu)筑單元的組裝方式出發(fā)詳細探討了石墨烯纖維結(jié)構(gòu)與性能的關系。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現(xiàn)緊密的界面結(jié)合，或者負載其它維度的分子形成具有多種性能的復合材料。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，可以進一步的從七個角度出發(fā)對纖維的結(jié)構(gòu)進行優(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)從力學性能和傳導性能的角度決定著石墨烯纖維的強度、模量、導熱和導電性能。

 

圖5. 石墨烯纖維性能的發(fā)展歷程。

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

5. 總結(jié)和展望

 

圖6. 石墨烯纖維已經(jīng)實現(xiàn)和潛在的結(jié)構(gòu)功能一體化應用。

從軍用和民用兩個領域出發(fā)，高超教授團隊綜述并展望了石墨烯纖維的應用領域，主要是結(jié)構(gòu)功能一體化的場景。在軍用領域，比如汽車、輪船、人造衛(wèi)星等，所有需要輕質(zhì)、高強和導熱支撐體的零件都可以用到石墨烯纖維。在民用領域，從依托于良好的導電性能，機械強度和柔性，石墨烯纖維可以做為輕質(zhì)導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現(xiàn)儲能器件的可穿戴，可以利用電熱轉(zhuǎn)換實現(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現(xiàn)遠距離的信號傳輸。

該綜述是納高研究團隊對近十年來石墨烯纖維領域研究工作的系統(tǒng)總結(jié)，對該領域的發(fā)展問題進行了剖析，并對石墨烯纖維的未來發(fā)展趨勢進行了展望。論文的共同第一作者為浙江大學高分子科學與工程學系納米高分子高超課題組的方波博士和博士生暢丹，許震特聘研究員和高超教授為共同通訊。該研究工作獲得國家自然科學基金及科技部重點專項基金的資助。

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