超强连续石墨烯纤维研究领域取得新进展

由纳米尺度的基本单元出发制备宏观高性能材料是纳米科技领域的重要方向，也是将自组装科学推进到现实材料应用的重要途径。近十年来，在高性能纤维领域，碳纳米管的发现将纤维的综合性能推进到了全新的高度。自2004年石墨烯这一新型碳二维纳米材料的发现开始，它超高的强度、良好的韧性、优良的导电率以及最高的热导率等优异的物理性质决定了石墨烯可以作为一种理想的二维纳米构筑单元来制备宏观高性能材料。2011年，氧化石墨烯液晶的发现引发了制备石墨烯宏观有序材料的热潮。从氧化石墨烯液晶出发，浙江大学高超研究小组实现了石墨烯纤维的连续制备，为高性能纤维家族增添了一个极具潜力的新成员。

最近，该课题组进一步制备了大片的氧化石墨烯，利用上海光源X射线小角散射（SAXS）线站同步辐射SAXS实验技术，确认了其溶液中内部的有序结构。研究人员从大片氧化石墨烯液晶出发制备了超强的连续石墨烯纤维（图1右3）。石墨烯的大尺寸会减少石墨烯片层边缘之间叠合带来的缺陷，同时优化的"湿拉"纺丝工艺实现了石墨烯片沿纤维轴向的致密规整排列。在石墨烯纤维制备过程中，通过SAXS表征了氧化石墨烯液晶纺丝原液中三维方向取向到氧化石墨烯凝胶纤维中沿纤维轴向取向的结构演变（图2）。通过引入二价金属离子交联结构将石墨烯纤维强度提升至0.5GPa，这是目前所报道的纯石墨烯材料强度的最高值。这种石墨烯纤维在具有超高强度的同时还兼具良好的导电性和柔韧性，其导电能力在弯曲-伸直1000次后没有任何减弱，预示着石墨烯纤维这一新品种高性能纤维材料在多功能织物、柔性可穿戴传感器、超级电容器、轻质导线等领域有广泛的应用前景。该成果发表在《先进材料》上（Advanced Materials，2013，25，188-193），文章发表后被"Materials Views China"以《由石墨制取超强连续石墨烯纤维》为题进行亮点评价。

图1：从石墨制备石墨烯纤维

图2：大片氧化石墨烯纺丝液和凝胶纤维的二维SAXS图