石英纖維，憑借其輕質(zhì)高強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料。將石英玻璃纖維金屬化或與其他導(dǎo)電材料復(fù)合可提升纖維導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性，進(jìn)而拓展石英纖維在柔性傳感、高功率散熱、電磁屏蔽等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，纖維表面金屬化的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致纖維柔性降低和嚴(yán)重的金屬污染問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)一種可批量化制備柔性、高導(dǎo)電性石英纖維的新方法是本領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題之一。

最近，北京大學(xué)、北京石墨烯研究院劉忠范院士團(tuán)隊(duì)，將石墨烯與石英纖維相融合，提出了一種批量化制備石墨烯石英纖維的強(qiáng)制流化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)方法。獲得了兼顧石墨烯優(yōu)異導(dǎo)電性和石英纖維高機(jī)械性能的石墨烯石英纖維，實(shí)現(xiàn)了易燃有機(jī)氣體的高靈敏度實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，研制了基于石墨烯石英纖維的面電阻均勻可調(diào)的纖維織物，成功實(shí)現(xiàn)了接近1000 °C高溫的工業(yè)電加熱器件構(gòu)筑。相關(guān)成果以“Massive Growth of Graphene Quartz Fiber as a Multifunctional Electrode”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊ACS Nano（2020, 14, doi: 10.1021/acsnano.0c01298）上。

本研究工作中，通過(guò)內(nèi)部纏繞有石英纖維的同軸套管構(gòu)造限域空間，實(shí)現(xiàn)了基于強(qiáng)制流的低壓化學(xué)氣相沉積（Forced-flow CVD）生長(zhǎng)條件。通過(guò)反應(yīng)壓強(qiáng)和體系中碳?xì)浔鹊目刂疲@著增加了碳物種碰撞、反應(yīng)的機(jī)率，在石英纖維表面實(shí)現(xiàn)了1-2層石墨烯的均勻包覆（圖1），最終研制出可批量化生產(chǎn)的石墨烯石英纖維。

圖 1 石墨烯玻璃纖維的強(qiáng)制流化學(xué)氣相沉積法制備

在應(yīng)用研究方面，利用柔性導(dǎo)電的石墨烯石英纖維制備了有機(jī)氣體仿生傳感器，裝配有該傳感器的機(jī)器小車(chē)表現(xiàn)出高的靈敏度、較快的響應(yīng)時(shí)間（<0.5s）和高循環(huán)穩(wěn)定性（>5000次循環(huán)）。此外，研究發(fā)現(xiàn)由石墨烯玻璃纖維編織成的織物具有較高的電熱轉(zhuǎn)換效率（>90%），可實(shí)現(xiàn)寬溫區(qū)（55-980°C）、快速升溫（<15s）的高溫電加熱效果（圖2）。

圖 2 柔性石英纖維織物用于高溫電加熱

該研究不僅為石墨烯新材料的開(kāi)發(fā)提供了新思路同時(shí)將傳統(tǒng)基礎(chǔ)材料和石墨烯材料有機(jī)結(jié)合，有力推動(dòng)了石墨烯石英纖維的工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用。

北京大學(xué)崔光博士后、程熠博士生和劉燦博士后為本文的共同第一作者，劉忠范院士、劉開(kāi)輝研究員和河南大學(xué)陳珂教授為本文的共同通訊作者。上述研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然基金、北京石墨烯專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。