Advanced Materials：全方位降缺陷協同工藝造就強硬石墨烯纖維

石墨烯因具有極高的抗拉強度、楊氏模量、電導率、載流量以及創紀錄的高熱導，而且原料來源廣泛、低廉，一直以來被認為是制備多功能、高性能含碳纖維的理想材料。石墨烯纖維（GFs）應運而生，然而它與傳統的碳纖維（CFs）截然不同。首先，石墨烯纖維由石墨制備而成，而碳纖維源自自然或合成聚合物的氧化與熱解；其次，石墨烯纖維由沿纖維軸取向一致的石石墨烯片組成，而碳纖維是由石墨納米晶在亂層石墨結構中相互連接而成。此外，石墨烯的橫向晶粒尺寸要遠大于碳纖維的，最大可達三個數量級，因此，石墨烯纖維具有非常優越的電導和熱導。

但是，相比單個石墨烯的優越性能，石墨烯纖維的性能遠沒有達到人們的預期。這主要是是由于石墨烯纖維多級結構中存在很多致命缺陷，如單個石墨烯片的原子缺陷、納米尺度的邊界與空洞，以及心-殼結構與在宏觀、微觀尺度無序取向的表面。目前，雖然研究人員通過一些途徑在一定程度上降低了這些缺陷對石墨烯纖維性能的影響，但是也只能從某一方面改善石墨烯纖維的性能。

日前，來自浙江大學的研究人員，通過對紡絲過程、紡絲液濃度以及后續處理等過程進行優化、調整，實現對石墨烯纖維缺陷全方位控制，獲得了高性能石墨烯纖維，硬度達到282GPa，抗拉1.45GPa，電導0.8×10⁶S/m，載流量2.3×10¹⁰A/m²。

【圖文導讀】

圖1?石墨烯纖維缺陷從原子尺寸到宏觀尺寸的控制工藝

a:?石墨烯纖維多尺度缺陷結構模型

b:?高品質石墨烯纖維全方位缺陷控制結構模型

圖2 石墨烯纖維缺陷控制工藝與纖維細節描述

a:?濕紡石墨烯氧化物纖維，在兩個階段伴隨連續拉伸，隨后在3000℃將石墨烯氧化物纖維（GOFs）石墨化為石墨烯纖維，V₀為石墨烯氧化物液晶（GO LC）擠壓速度，V₁，V₂分別為為中間卷與最終卷的線速度，V₁?= 1.2V₀，V2 = 1.1V₁；GOFs的厚度可以通過調整GO LC的濃度以及噴嘴直徑來進一步調節

b: GO LC濃度為2mg/mL時，正交偏光鏡間典型的向列紋理

c:?凝固浴中50絲GOF從噴絲器中擠出的近距離快照

d:?紡紗過程中GOFs在石墨輥上進行收集

e:?50絲黃色GOFs在輥上收集

f:?50絲500m長具有金屬光澤的石墨烯卷

g:?左圖為超細石墨烯紗SEM圖，右圖為單個石墨烯與單個頭發絲的對比，盡管石墨烯超細（直徑約為2um，為頭發絲的1/50-1/100）,但是纖維厚度與直徑均勻且連續

圖b，c，d，e，f，g的比例尺分別為200um，2cm，20cm，2cm，2cm以及50um

圖3?石墨烯纖維性能

a:?單個石墨烯纖維典型抗拉曲線

b:?從1300℃到3000℃連續增溫熱處理后的石墨烯纖維電導

c:?電場與石墨烯載流量的關系

d:?與先前報道的性能最優石墨烯纖維和石墨烯紙性能對比，所有性能均與本研究的性能做了歸一化的處理

e:?本研究的石墨烯纖維性能與先前報道的碳納米管纖維、石墨烯紙以及石墨烯纖維抗拉強度對比

f:?本研究的石墨烯纖維性能與先前報道的碳納米管纖維、石墨烯紙以及石墨烯纖維楊氏模量對比

圖中數字：1. 扭曲多壁碳納米管纖維；2. 化學氣相沉淀（CVD）紡絲工藝制備的多層碳納米管纖維；3. 濕紡單壁碳納米管纖維；4. 原始化學改性的石墨烯膜；5.由石墨氧化物片制備的低HI含量石墨烯纖維；6. 銀摻雜石墨烯纖維；7.不同尺寸石墨烯氧化物搭配組合優化后的石墨烯纖維。

圖4?石墨烯纖維結構分析

a:?石墨烯纖維（GFs）多尺度缺陷控制試驗檢查，包括粗糙表面無序起皺、不均勻心-殼機構、缺陷對金與空洞（SEM），以及有缺陷石墨烯片非晶復合材料，比例尺從左到右依次為5um，2um，100nm和2nm

b: 高品質石墨烯纖維的多尺度結構，比例尺從左到右依次為 2 um, 500 nm, 100 nm和2 nm

c:?從1300℃到3000℃熱處理后的GOFs與GFs的拉曼光譜

d: 在1300℃, 2000℃以及3000℃熱處理后廣角X射線散射(WAXS)花樣2D圖

e:?圖d中2D WAXS方位掃描曲線，強化沿纖維軸向石墨烯片取向

圖5 石墨烯纖維性能及應用

a:?不同直徑石墨烯纖維SEM圖片以及對應的小角度X射線衍射（SAXS）圖案，比例尺為5um

b:?石墨烯纖維取向角度與線密度的關系

c:?石墨烯纖維比強度與線密度的關系，插圖為比強度與線密度的對數圖

d: 正在工作的用石墨烯纖維替代鎢燈絲的白熾燈泡

e: 紡絲電動機（500轉/min），轉子線圈用石墨烯纖維紡絲（0.55g）替代銅線（4.4g）制成

f:?用金線（黑色）與石墨烯纖維（紅色）作為連接線的二極管伏安曲線設備，插圖為用石墨烯纖維連接的二極管設備（紅色虛線指引）

感謝材料人編輯部糯米提供素材。

文獻鏈接：Ultrastiff and Strong Graphene Fibers via Full-Scale Synergetic Defect Engineering