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浙江大学高超教授为你揭秘石墨烯纤维及复合材料
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关于石墨烯纤维 石墨烯纤维是由石墨烯片沿一维方向宏观组装而成的新型碳质纤维。 2011年，浙江大学高超教授利用湿法纺丝的技术制备出宏观连续的石墨烯纤维。不同于以往的碳质纤维，石墨烯纤维的构筑基元是具有良好的导电、导热、机械强度等性能的二维晶体石墨烯，纤维的内部结构三维有序、致密均一，有潜力将碳质纤维的性能推向一个新阶段。 石墨烯纤维的制备 石墨烯纤维制备的主要原料是氧化石墨烯，其组装方法多种多样，目前主流的技术手段仍然是湿法纺丝。在湿法纺丝过程中，氧化石墨烯经过剪切流动取向、凝固成型、牵伸取向等一些工序之后得到结构密实的氧化石墨烯纤维，再经过化学还原和石墨化处理之后即可得到石墨烯纤维。 石墨烯纤维的性能 1. 机械性能 2011年，石墨烯纤维首次被报道，其拉伸强度仅为140 MPa，杨氏模量为7.7 GPa。随后，研究者通过调控石墨烯尺寸、片层规整性、界面相互作用、取向度等参数，将石墨烯纤维的拉伸强度提升至2200 MPa，杨氏模量达到400 GPa。从理论上讲，石墨烯纤维应具有比碳纤维更优异的机械性能。因此，进一步优化制备工艺、提高片层取向度、增强片层作用力、降低结构缺陷、提高晶区质量等，有望制备具有更优异机械性能的石墨烯纤维。 2. 电学性能 石墨烯具有超高的电子迁移率和载流能力，组装而成的石墨烯纤维有望延续石墨烯微观尺度的优异电学性能。通常，石墨烯纤维的导电性具有各向异性，即沿纤维轴向的电导率高于沿纤维径向的电导率。选用大尺寸GO、提高取向度、借助高温热还原过程、引入其他组分等策略，有望显著提高石墨烯纤维的电学性能。 3. 热学性能 石墨烯纤维的热导率一般显著低于单层石墨烯的热导率。目前，研究者通过基元材料的优化、制备过程的调控以及采用高温热还原过程，得到石墨烯纤维的热导率已经超过碳纤维和碳纳米管纤维的热导率。而进一步优化石墨烯纤维的制备和处理过程、修复石墨烯的结构缺陷、提高石墨烯片层晶区尺寸和取向度等，有望获得更高热导率的石墨烯纤维。随着石墨烯片层取向度逐渐提高，纤维的热导率随之增大，其热导率最高可达1575 W·m-1·K-1，超过沥青基碳纤维和碳纳米管纤维的热导率(600-1000 W·m-1·K-1)。 得益于石墨烯微观尺度的优异性质，石墨烯纤维展现出优异的机械、电学、热学等性能。目前，石墨烯纤维的电学和热学性能已超过碳纤维的相应性能，但在拉伸强度和杨氏模量方面仍稍逊色。 石墨烯纤维的应用 石墨烯纤维的应用领域，主要是结构功能一体化的场景。在军用领域，比如汽车、轮船、人造卫星等，所有需要轻质、高强和导热支撑体的零件都可以用到石墨烯纤维。在民用领域，依托于良好的导电性能，机械强度和柔性，石墨烯纤维可以做为轻质导线在极宽的温度范围内工作；另外，石墨烯纤维可以制备成柔性织物穿戴在人体表面，作为纤维状电池或者电容器的电极实现储能器件的可穿戴，可以利用电热转换实现医疗保健和电磁屏蔽，也可以开发石墨烯纤维的光电性能实现远距离的信号传输。 如何将石墨烯微观尺度的优异性能更加有效地传递到宏观纤维中，是高性能石墨烯纤维基础和应用研究的重点和关键。 2022复合材料界面论坛邀请浙江大学高超教授作为论坛特邀嘉宾，分享《石墨烯纤维及复合材料》主题报告。 团队从氧化石墨烯液晶入手，经过还原处理，获得了无添加剂的纯石墨烯纤维，制备了兼具轻质高强高模和高导电高导热的石墨烯纤维，打通了从天然石墨制备结构功能一体化碳基纤维的新途径。提出褶皱微粉原位伸展聚合技术，攻克了石墨烯在聚合物基体中的均匀分散难题。团队原创多项国际领先的石墨烯技术，获得了石墨烯与聚酯、尼龙等纤维的高效分散、原位聚合、细旦纺丝等核心技术。氧化石墨烯通过湿法组装、化学还原及高温修复策略，制得了石墨烯纤维、无纺布、薄膜及气凝胶泡沫等宏观组装材料。 嘉宾介绍 高超，浙江大学求是特聘教授、国家杰出青年基金获得者、博导、浙江大学学术委员会委员、高分子科学研究所所长、杭州高烯科技有限公司创始人兼首席科学家。主要从事石墨烯化学与组装等方面的研究。在Science、Nat. Electron.、Sci. Adv.，Nat. Commun.，Adv. Mater.等期刊发表论文240余篇，连续四次入选科睿唯安全球“高被引科学家”名单，入选国家科技创新领军人才，获得首届钱宝钧纤维材料青年学者奖等，研究成果获得两院院士评选2013年中国十大科技进展新闻，石墨烯纤维入选Nature 2011年度图片。实现石墨烯系列专利转让，转让金额2000余万元，带领团队建立国际首条IGCC认证的单层氧化石墨烯生产线。 项目推广 氧化石墨烯分散液 单层氧化石墨烯可以视为在石墨烯单片上引入含氧官能团，如羟基、羧基、环氧等。经还原后去除含氧官能团，还原氧化石墨烯结构以很大程度上趋向于石墨烯。因此氧化石墨烯可以视为石墨烯的一种重要前驱体。 杭州高烯科技有限公司研发的氧化石墨烯有以下优势： 单层结构。单层率＞99%。 大尺寸。横向尺寸＞40μm，可根据需要调控。 连续可纺性。浆料整体质量达到纺丝级别，无需任何添加剂便可直接进行湿法纺丝。 分散力上佳。在复合材料中分散性好，可原位聚合制备多功能复合材料，团聚少，性价比高。 超纯度。金属离子含量极低，可达电子级。 粉末再分散性优异。产品有粉末和浆料两种形态，粉末能在水和极性有机溶剂中再分散成单层结构。 高溶解度。在水和极性有机溶剂中溶解度＞10mg/g，可以直接纺丝成纤维、刮涂成膜或冷冻干燥成气凝胶。 获得了国际石墨烯产品认证中心(IGCC)全球首个单层氧化石墨烯产品认证。 如有兴趣合作的单位，可以与DT新材料工作人员或者高超老师联系。 |
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