高性能石墨烯纖維.pdf

1、石墨烯纖維是由石墨烯沿軸向緊密有序排列而成的連續(xù)宏觀組裝材料，是近年來發(fā)展起來的一種新型碳質纖維。石墨烯纖維具有高強度、高導電、低密度等特性，已在輕質導線、柔性儲能器件等方面展示了廣闊的應用前景。然而目前其單絲制備規(guī)模較小，力學強度和導電性能遠不能滿足人們對結構功能一體化的需求，極大地限制了石墨烯纖維的應用與發(fā)展。因此提高石墨烯纖維的力學和導電性能，發(fā)展宏量化制備技術，已成為石墨烯纖維研究領域的核心問題，這也是推進石墨烯纖維結構功能一體

2、化發(fā)展的關鍵。為此，本論文瞄準石墨烯纖維的高性能化和規(guī)?；苽?，立足于纖維微納結構調控及其與宏觀性能的關系，開展了系列的研究。主要內容如下:
　　1.提出了“多尺度結構缺陷控制”策略，通過拉伸誘導取向、纖維細旦化、高溫熱還原等關鍵技術創(chuàng)新，調控從分子水平跨越到宏觀材料尺度的多級結構缺陷，實現了高性能石墨烯纖維的制備，闡明了石墨烯纖維綜合性能與多級缺陷結構的關系。石墨烯纖維拉伸強度和模量分別可達2.2 GPa和400 GPa，導電率

3、高達0.8 MS/m，并且具有高于銅的熔斷電流密度(23 GA/m2)，是目前石墨烯纖維所到達的最高水平。
　　2.自主設計并搭建了石墨烯纖維束絲示范型生產線，將實驗室單絲制備水平推進到100束絲的連續(xù)制備水平，建立了完整的從石墨烯液晶到連續(xù)濕紡和熱處理的石墨烯纖維束絲制備體系，有助于推動石墨烯纖維的工程化發(fā)展。
　　3.提出“化學摻雜”策略，制備了電子給體及電子受體摻雜的石墨烯纖維系列，將其導電率提高到金屬水平，揭示了摻雜

4、分子通過增加載流子濃度來提升導電率的機理。其中鉀摻雜石墨烯纖維的導電率高達22 MS/m，高于鎳(15MS/m)，接近鋁(35 MS/m)。值得一提的是，其比導電率（導電率與密度的比值）約是鎳的8倍、銅的2倍，與鋁相當。這一優(yōu)異性能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、電磁屏蔽等領域有巨大的應用價值?！盎瘜W摻雜”策略也為其他維度石墨烯宏觀材料導電性能的升級提供了新思路。
　　4.通過氣相插層反應，實現了鈣插層