近日，浙江大學高分子科學與工程學系高超教授研究團隊在石墨烯纖維的規模化制備以及石墨烯纖維的高性能化等方面取得了新突破。

    石墨烯纖維是石墨烯片沿軸向有序堆積排列而成的連續組裝材料，是由高超教授團隊首次提出并率先制備的高性能多功能新型碳基纖維，具有高導電、高導熱、低密度等特性。石墨烯纖維已在柔性導線、超級電容器、太陽能電池、鋰電池、傳感器等方面顯示出了誘人的應用前景，已成為一個新的學術研究熱點方向。然而目前石墨烯纖維較弱的力學強度和較低的導電性能限制了其在功能性器件、可穿戴電子設備等領域的發展。因此如何提高石墨烯纖維的力學性能和導電性能、如何使石墨烯的本征優異特性在石墨烯纖維上最大程度的得以體現，已經成為石墨烯纖維研究中的關鍵問題。

    針對這一問題，高超教授團隊立足石墨烯纖維的結構調控及結構與性能關系，開展了系統深入的研究。首次提出了“全尺度協同缺陷工程”策略，通過優化濕法紡絲工藝、多級拉伸誘導取向、纖維細旦化、高溫熱還原等關鍵技術創新，成功地實現了高性能石墨烯纖維的規模化制備。所得到的石墨烯纖維直徑最細可達1.6 μm（約為頭發絲的五十至百分之一），力學強度最高可達2.2 GPa，楊氏模量最高可達400 GPa，導電率達到8×105 S/m，代表了石墨烯纖維目前最高的性能水平。

    基于高質量純石墨烯纖維，高超教授團隊進一步采用“化學摻雜”方法，將氯化鐵、溴、鉀等物質引入到石墨烯纖維內部，得到摻雜的石墨烯纖維。由于摻雜分子或離子與石墨烯存在電荷轉移相互作用，能顯著提高石墨烯纖維的載流子濃度，從而使其導電率有了數量級的提升。例如經過鉀摻雜后，石墨烯纖維的導電率高達2.2×107 S/m，高于金屬鎳（1.5×107 S/m）、接近金屬鋁（3.5×107 S/m）。值得一提的是，由于石墨烯纖維的密度遠低于金屬，所以其比導電率（導電率與密度的比值）約是鎳的八倍、銅的兩倍，并與鋁相當。如此高的比導電率使石墨烯纖維在輕質導線、電動馬達、信號傳輸、能源儲存與轉化、電熱器、電磁屏蔽、場發射等領域有巨大的潛在應用價值。

    論文共同第一作者為博士后許震和博士生劉英軍。這些研究成果由高超團隊與浙大信電系徐楊副教授、材料學院金傳洪教授、物理系王淼教授、浙江理工大學李培剛教授等合作完成，受國家自然科學基金及中國博士后基金等資助。

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責任編輯：王元

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