石墨烯纤维研究报告书

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1、石墨烯调研报告（石墨烯纤维）碳纤维因其质量轻、机械强度大及性能稳定的特点在生活中被广泛使用。但仍存在成本高，脆性高等缺点。石墨烯是一种由碳原子构成的单层蜂窝状结构的新材料，是其他维度碳材料的构造基础。石墨烯具有很多独特的性质，如高电子迁移率、高导热系数、良好的弹性和刚度等。因此，将石墨烯组装为宏观的功能结构如纤维等，是实现石墨烯实际应用的重要途径。近年来成功合成石墨烯纤维的例子及其在某些特殊应用上发挥的重要作用激发了人们的研究兴趣。一维石墨烯纤维不仅是对二维薄膜和三维石墨烯块的补充，而且对纺织功能材料和器件的发展具有十分重要的作用。本文中将对石墨烯纤维

2、的研究现状和发展进行综述和展望。主要讨论石墨烯纤维的可控制备、功能性修饰及其在非传统器件（如柔性纤维状驱动器、机器人、马达、光伏电池和超级电容器）等方面的应用。石墨烯纤维的制备1.1液晶相湿法纺丝法研究发现，可溶性氧化石墨烯片可以形成液晶相，呈现片状排列或螺旋结构，这使制备宏观石墨烯纤维成为可能。这种液晶结构能够使氧化石墨烯在足够高的浓度下分散，适合高效凝结成型。高成明等用注射器将石墨烯分散液注射到质量分数为5%的氢氧化钠/甲醇溶液中，制成了均匀的氧化石墨烯纤维。然后，采用氢碘酸化学还原的方法得到了石墨烯纤维。尽管该方法制得的纤维强度有待提升，但这种湿

3、法纺丝法具有大规模生产石墨烯纤维的潜能。于虹等随后证明可以用氧化石墨烯悬浮液做为原料，流体纺丝后经化学还原制备石墨烯纤维，并提出了卷曲-折叠构造氧化石墨烯纤维的机理。该湿法纺丝技术促进了石墨烯与其他有机、无机材料复合纤维的多功能化发展。湿法纺丝制得的氧化石墨烯纤维拉伸强度相对较低，这与纤维轴向的氧化石墨烯层的内部排列有关。为了解决这一问题，Tour研究组用大片氧化石墨烯（平均直径22μm）做为湿法纺丝的原料合成纤维。结果表明，这样制得的纤维拉伸模量比之前的方法高出一个数量级，纤维具有100%的高打结率。通过改进湿法纺丝过程，Qu研究组发明了一种“双毛细

4、管同轴纺丝法”，该方法能够连续生产形貌可控的中空石墨烯纤维。图1展示了实验装置及制备过程。因为高黏性的氧化石墨烯悬液能够直接鼓泡，所以可以精确调节氧化石墨烯纤维的形貌。例如用压缩空气代替内管的液体，可以生成中空石墨烯“项链”状纤维。1.2限域水热组装法由于层间的强π-π相互作用，水热处理的氧化石墨烯会自发形成石墨烯的网状结构。曲向晨研究组发明了一种限域水热组装法，可以直接用氧化石墨烯溶液在管式反应器中加热制成石墨烯纤维。例如，以毛细玻璃管作为反应器，将8mg/mL的氧化石墨烯悬液注射到玻璃管中，封闭玻璃管两端后在230℃烘焙2h就获得与玻璃管形貌一致的

5、石墨烯纤维。纤维直径5~200μm可调，长度数米（图2）。由于水热过程中石墨烯层间的强相互作用，自组装形成的石墨烯纤维强度较高，可以达到180MPa。1.3化学气相沉积法（CVD）辅助合成朱晨研究组发明了一种用化学气相沉积（CVD）法生长的石墨烯膜直接抽出石墨烯纤维的“直拉法”。该方法首先将石墨烯膜从生长基底上转移到有机溶剂（如乙醇）中，然后用镊子从溶剂中抽出纤维结构的石墨烯。在该过程中，溶剂的表面张力和蒸发速率对石墨烯纤维的结构有很大影响。该方法制得的石墨烯纤维导电率很高，可以达到约1000S/m，但不适用于大规模生产。同一研究组还利用CVD法直接在

6、铜网上生长石墨烯，然后用氯化铁的盐酸溶液刻蚀掉铜网，得到网状中空石墨烯纤维，即石墨烯编织物。这种编织物可以转移到聚二甲基硅氧烷基底上形成复合膜并用于各种器件中。1.4氧化石墨烯的自发还原及组装除了上述借助CVD方法外，可以通过基底辅助还原和组装氧化石墨烯的方法在铜线上自发合成中空石墨烯纤维。该方法比较温和而且有效。在这一过程中，活泼金属基底失去电子被氧化成金属离子，同时氧化石墨烯得到电子被还原。该方法不需要加入任何还原剂，可以在任意导电基底上还原氧化石墨烯，并使其在基底上有序聚集，如活泼金属基底锌、铁、铜，惰性金属金、银、铂，半导体硅片，非金属碳膜，以

7、及导电玻璃（ITO）等。1.5碳纳米管纱丝以碳纳米管制成的石墨烯纳米带为基础，Baughman等用化学拉拽法从高度排列的碳纳米管膜上拉出石墨烯纳米带纱网，然后干燥收缩成丝。该方法将原始多壁碳纳米管逐层放到聚四氟乙烯框架上，通过溶液氧化获得氧化石墨烯纳米带。采用不同的还原方法可以调节其含有的官能团，以提高相应的机械、电学及电化学性质。实际上，氧化石墨烯纳米带和还原的石墨烯纳米带可以分散到高浓度氯磺酸中，形成各向异性的液晶相用于湿法纺丝制石墨烯纤维。1.6其他制备方法上述方法提供了多种途径合成各种石墨烯纤维，除此之外还有一些其他的方法。Kim等用电泳组装法

8、制成还原的氧化石墨烯纳米带纤维。该方法用石墨针做正极，将其插入含有石墨烯纳米带的胶体溶液中。通