1.3 八面玲珑的纤维材料
——石墨烯纤维

2004年，英国曼切斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫采用机械剥离的方法，在实验室中首次获得能稳定存在的单层石墨烯。单层石墨烯材料的成功制备轰动了世界，并因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。为什么小小的石墨烯材料能够引起学者们乃至工业界广泛关注呢？

这主要是由于石墨烯材料具有独特的理化性质。石墨烯是碳单原子层形成的二维纳米碳材料（图1-12），厚度仅为0.34 nm，约为单根头发丝厚度的23万分之一。其碳原子之间链接成六角环蜂窝式层状结构，层平面之间亦可形成较强的作用力。这种独特的结构决定了石墨烯材料具有优良的导电和光学性能以及极大的比表面积。由于石墨烯集多种优势于一身，因此，在众多材料中堪称“八面玲珑”。

石墨烯材料具有如下主要性能。

强度：石墨烯是已知强度最高的材料之一，还具有很好的韧性，且可以弯曲。石墨烯的理论杨氏模量达1.0 TPa，固有的拉伸强度为130 GPa，为芳纶1414（Kevlar）纤维的36倍，是强度较高的涤纶工业丝的140倍，可抗击高强度冲击。如图1-13所示，模拟了子弹穿透石墨烯材料的过程。

热性能：纯净无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300 W/（m·K），是迄今为止导热系数最高的碳材料，分别为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的1.5倍和1.8倍。当它作为载体时，导热系数也可达600 W/（m·K）。因此，石墨烯是一种热传导性能极佳的功能性材料。

光学性能：石墨烯在可见光范围内的光波吸收极低，因此，看上去几乎是透明的。对于多层石墨烯分子，厚度每增加一层，吸收率仅增加2.3%。因此，具有较大面积的石墨烯薄膜同样可以保持其优异的光学特性，且其光学特性可通过改变石墨烯分子层的厚度进行可控式调节。

石墨烯纤维是石墨烯纳米片层在一维受限空间的组装体，使得石墨烯在纳米尺度的优异性能拓展到宏观尺度。相比于块体和薄膜结构，加工难度更大，但其具有更好的柔性、更大的比表面积和更好的加工灵活性。2011年，浙江大学首次通过湿法纺丝技术获得了世界上第一根石墨烯纤维，迄今为止已开发出多种石墨烯纤维的制备方法。

湿法纺丝法：是制备纺织化学纤维的常用方法之一，通常将成纤物质溶解在适当的溶剂中，得到一定组成、一定黏度、有良好可纺性的纺丝原液。由于石墨烯本身不易分散于水以及其他有机溶剂，因此，采用在极性溶剂（如水）中具有良好分散性的石墨烯前驱体——氧化石墨烯（GO）来制备纺丝原液。将氧化石墨烯原液经喷丝板挤出、凝固浴凝固以及化学还原最终得到真正意义上的石墨烯纤维。

薄膜收缩法：以甲烷为碳源，在铜箔上生长石墨烯。为了得到完整独立的石墨烯薄膜，在石墨烯表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯。以过硫酸铵溶液对铜箔进行刻蚀，用丙酮洗去聚甲基丙烯酸甲酯层得到叠层的石墨烯薄膜，最后用镊子从溶液中将薄膜提拉出来，收缩形成直径均一的石墨烯纤维。不过，该方法获得的石墨烯纤维一般都具有较多的孔隙，且不适用于连续化生产制备。

其他还有受限水热、模板、电泳自组装等一些制备方法，但均很难实现连续化生产。

由于石墨烯的规模化制备成本仍较高，目前，主要采用将石墨烯纤维添加至其他基质材料中来提升整体材料的性能，并已在能量转换和存储、传感、电子等领域取得了一系列进展。

（1）功能性织物后整理

将石墨烯材料通过纺丝成型或纺织后加工整理到传统纺织纤维的表面或内部，可使纺织纤维获得功能化特性，从而制备多种具有不同性能的纺织品，如导电织物、阻燃织物、抗菌织物、抗紫外线织物、疏水织物等。我国浙江大学高超教授团队率先用连续湿法纺丝制得石墨烯长丝。基于该项技术，市面上涌现了一批新型石墨烯纺织品，如发热内衣（图1-14）等。

（2）超级电容器

超级电容器是利用电极材料对电解质离子的快速吸附——脱附或电极材料表面可逆的氧化还原反应，实现电能存储的新型能源存储装置。石墨烯超级电容器（图1-15）由于其质量轻、体积小、柔性高、可穿戴性好的优点，是发展柔性可穿戴设备的优选能量来源。目前，我国研究开发的石墨烯超级电容器具有很好的韧性，可以编织到织物中，且充电后能够点亮LED 灯。

（3）锂离子电池电极

石墨烯纤维作为锂电池的负极材料，相较于传统石墨具有更高的容量和循环稳定性，更重要的是可以实现与柔性电子器件的串联和稳定工作。不过，目前将石墨烯基纤维用于锂离子电池并组装成柔性可穿戴电池的研究还较少，因其组装过程相对复杂，实现其连续化生产的方法还有待进一步探究。

（4）传感器

柔性可穿戴设备对环境中电、湿度、力、温度等结构变化做出高效响应是未来发展趋势，石墨烯纤维在响应性智能器件的应用中表现出卓越的潜能。目前，石墨烯纤维材料已可实现在不同电信号驱动下发生弯曲形态和导电性能的可控响应，是具有广阔市场前景的新一代智能传感器。

尽管当前石墨烯纤维仍面临着生产成本高、制备工艺复杂、连续规模化生产困难的问题，但还是在短短十年内取得了长足发展。纯石墨烯纤维和石墨烯复合纤维的开发是未来的发展方向，在航空航天、国防军工、能源传感、智慧生活等领域具有广阔的应用前景。 kK0KX8dA+3oNn6kI9MVdAHVweunY5YFe6xOV6QATK15tZAJKiHO4D7lMmgVkXM5i