石墨烯纖維的誕生、發(fā)展與展望
2019-08-16 01:40:41
changyuan
浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表AM綜述：石墨烯纖維的誕生、發(fā)展與展望
近期，浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀在國(guó)際材料學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）發(fā)表有關(guān)石墨烯纖維的綜述。高超教授團(tuán)隊(duì)在綜述中從四個(gè)角度呈現(xiàn)了石墨烯纖維的特點(diǎn)：制備技術(shù)、形態(tài)控制、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)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(shí)斯旺和愛(ài)迪生先后將碳絲密封起來(lái)，利用碳絲的導(dǎo)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(kāi)始了碳纖維的研發(fā)，作為一種具有極高機(jī)械強(qiáng)度和模量的高性能纖維，碳纖維在承重和復(fù)合材料等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。2002年，清華大學(xué)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(dǎo)性能，且具有極佳的柔性。2011年，浙江大學(xué)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(dǎo)電、導(dǎo)熱、機(jī)械強(qiáng)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(gè)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(tuán)隊(duì)用一張眼圖從四個(gè)方面枚舉了石墨烯纖維的特點(diǎn)。從制備技術(shù)上看，石墨烯纖維展現(xiàn)出四大優(yōu)勢(shì)（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(guò)調(diào)控紡絲的工藝可以得到六種形態(tài)的石墨烯纖維：實(shí)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(diǎn)（4 merits）：超大的晶體尺寸；可以嚴(yán)格控制的缺陷密度；內(nèi)外部豐富的褶皺；能夠復(fù)合多種維度的客體分子。在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮功能（X-uses and applications）：多功能織物、輕質(zhì)導(dǎo)線、能量收集及轉(zhuǎn)換、可穿戴儲(chǔ)能裝備、柔性電子器件、神經(jīng)信號(hào)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(guò)程中在每個(gè)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(guò)程中，氧化石墨烯經(jīng)過(guò)剪切流動(dòng)、凝固成型、牽伸取向等一些工序之后得到結(jié)構(gòu)密實(shí)的氧化石墨烯纖維，再經(jīng)過(guò)還原還原和石墨化處理之后即可得到石墨烯纖維。經(jīng)過(guò)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(zhǎng)提升到了數(shù)公里長(zhǎng)。在將石墨烯纖維的生產(chǎn)推向工業(yè)化的進(jìn)程中，高超教授團(tuán)隊(duì)列舉了現(xiàn)階段在每個(gè)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(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
4. 結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系
圖4. 石墨烯纖維結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。
高超教授團(tuán)隊(duì)從構(gòu)筑單元的組裝方式出發(fā)詳細(xì)探討了石墨烯纖維結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。如圖4所示，在組裝過(guò)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(huì)形成豐富的褶皺，通過(guò)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(shí)現(xiàn)緊密的界面結(jié)合，或者負(fù)載其它維度的分子形成具有多種性能的復(fù)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(duì)于高性能的石墨烯纖維纖維，可以進(jìn)一步的從七個(gè)角度出發(fā)對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xué)性能和傳導(dǎo)性能的角度決定著石墨烯纖維的強(qiáng)度、模量、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。
圖5. 石墨烯纖維性能的發(fā)展歷程。
通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，石墨烯纖維的機(jī)械強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)2 GPa，模量達(dá)到400 GPa，導(dǎo)電率達(dá)到一百萬(wàn)西門(mén)子每米的級(jí)別，而導(dǎo)熱系數(shù)也超過(guò)了1500 W m-1 K-1，在某些領(lǐng)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(shí)現(xiàn)和潛在的結(jié)構(gòu)功能一體化應(yīng)用。
從軍用和民用兩個(gè)領(lǐng)域出發(fā)，高超教授團(tuán)隊(duì)綜述并展望了石墨烯纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，主要是結(jié)構(gòu)功能一體化的場(chǎng)景。在軍用領(lǐng)域，比如汽車、輪船、人造衛(wèi)星等，所有需要輕質(zhì)、高強(qiáng)和導(dǎo)熱支撐體的零件都可以用到石墨烯纖維。在民用領(lǐng)域，從依托于良好的導(dǎo)電性能，機(jī)械強(qiáng)度和柔性，石墨烯纖維可以做為輕質(zhì)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器件的可穿戴，可以利用電熱轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)醫(yī)療保健和電磁屏蔽，也可以開(kāi)發(fā)石墨烯纖維的光電性能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸。
該綜述是納高研究團(tuán)隊(duì)對(duì)近十年來(lái)石墨烯纖維領(lǐng)域研究工作的系統(tǒng)總結(jié)，對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展問(wèn)題進(jìn)行了剖析，并對(duì)石墨烯纖維的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。論文的共同第一作者為浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金及科技部重點(diǎn)專項(xiàng)基金的資助。
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