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纤维材料的诞生促进了人类社会的发展，在现代科技文化中承担着重要的角色。19世纪以前，天然纤维在人类生活中占据主要地位，其加工方式以手工编织为主。直到第一次工业革命，人类对于纤维制品的需求诱导了棉花的加工工艺革新，自此人类开始大规模批量化加工天然纤维 [1,2] 。随后合成纤维走进了人类的生活，并逐渐占据了大部分的纤维市场。其中，碳纤维是一种含碳量高于90%，集高性能和多功能于一体的纤维材料，在航空航天、汽车、电子、化工、轻纺等领域都有着重要的应用。碳纤维的制备最早可以追溯到1883年，Swan使用碳化的天然纤维素纤维制备电灯泡灯丝，这也是黏胶基碳纤维的雏形。当前使用的碳纤维主要由聚丙烯腈、沥青等原材料经高温碳化处理得到，传统碳纤维与新型碳质纤维的结构单元示意图如图3-1所示。碳化过程可以消除多余的官能团，并形成取向性良好的石墨化结构，从而使得碳纤维具有高强度、高模量、轻质和良好的导电导热性能等一系列优点。这些优异的性质赋予了碳纤维在现代社会中无可替代的战略地位 [3,4] 。
图3-1 传统碳纤维与新型碳质纤维的结构单元示意图 [4]
尽管碳纤维已经具有如此多的优点，但是实际上碳纤维内部的结构单元是石墨晶须，其理论强度为20GPa，电导率达1.5×10 6 S/m，远高于目前碳纤维能达到的强度和电导率 [5,6] 。长久以来，对更高性能碳质纤维探索的脚步从未停歇。碳纳米管（carbon nanotube， CNT）和石墨烯的发现为结构功能一体化碳纤维的实现提供了新的思路。CNT是二维石墨烯片卷绕成的一维石墨烯管，与石墨烯一样，碳原子在CNT中互相以sp 2 杂化的方式共价键接。作为石墨最基本的结构单元，石墨烯的强度高达130GPa，拉伸模量达1.1TPa [7,8] 。如果可以将石墨烯片有序组装成纤维，同时使宏观纤维组装体最大化地保留单层石墨烯的优异性能，那么石墨烯纤维将成为未来最有发展潜力的新型碳质纤维之一（图3-1）。
石墨烯纤维是由单片石墨烯沿轴向紧密有序排列而成的一维连续组装材料，目前主要通过液晶湿法纺丝制备得到。与传统碳纤维的制备方法截然不同，石墨烯纤维是将大尺寸石墨烯直接有序组装而成，其石墨烯单元尺寸较大，因此，其机械强度、导电性能与导热性能有望突破传统碳纤维的性能极限，成为新一代结构功能一体化纤维 [9] 。同时，石墨烯纤维制备的自由度较高，可以与多种功能化物质相杂化复合，具有较高的结构功能可设计性。石墨烯纤维在柔性超级电容器、纤维状电池、智能传感、功能织物、催化等诸多领域具有广泛的应用潜力。本章主要从石墨烯纤维的可控制备、高性能化、多功能应用，以及其复合纤维四个方面展开介绍。