浙大与清华《Adv. Funct. Mater》: 塑化纺丝制备高强度和导电性的的高结晶石墨烯纤维

文章来源： 材料分析与应用

石墨烯纤维（GF）是单个石墨烯片的宏观一维组件，具有出色的机械性能和卓越的多功能性。然而，由于不利的晶体结构，特别是由石墨烯的起皱构象引起的，石墨烯纤维的性能仍然受到限制。

 本文，浙江大学高超、许震教授团队与清华大学马维刚教授团队（共同通讯）合作在《Advanced Functional Materials》期刊发表名为“Highly Crystalline Graphene Fibers with Superior Strength and Conductivities by Plasticization Spinning”的论文，研究利用先前建立的溶剂插层塑化的效应对初生的氧化石墨烯纤维进行二次塑化拉伸，大幅度消除石墨烯原丝中的无规褶皱结构。

经过后续高温热处理，沿纤维轴向平直排列的石墨烯大大促进了石墨烯择优取向的结晶生长，得到高取向度和大尺寸石墨微晶的石墨烯纤维。这种石墨烯纤维取向度可达92%，石墨微晶尺寸达174.3 nm，远大于传统碳纤维内部微晶尺寸。

高取向与大晶体的结合使得石墨烯纤维兼具高强度（3.4 GPa）与优异的电学（1.19´106 S/m）、热学传导性（1480 W/m K），为推进结构功能一体化碳质纤维提供了新思路。这种塑化纺丝的工艺可以实现连续制备，有利于石墨烯纤维的工程化。

图1 塑化纺丝制备高结晶的石墨烯纤维

图2 氧化石墨烯纤维塑性变形的应力-应变曲线，塑化的基本条件，以及塑化拉伸过程中的结构变化。

图3 多级塑化纺丝工艺与石墨烯纤维原丝的结构与性能

图4 石墨烯纤维的结晶结构

图5 石墨烯纤维的综合性能

本文提供了一种制备结构功能一体化石墨烯纤维的思路和方法。通过对石墨烯宏观组装体塑化效应的新理解，制备了高度取向的石墨烯纤维原丝，并促进了石墨化过程中的择优取向结晶，得到高度有序与高度结晶的石墨烯纤维。这种多级塑化纺丝的方法和工艺便于规模化放大。

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