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高强度、高断裂伸长率石墨烯基碳纤维
近年来，石墨烯以其高杨氏模量、高断裂强度、优异的载流子迁移率等物理化学性能在国际上受到了广泛关注。为了将单片石墨烯的优异性能转移到其宏观组装体上（石墨烯纤维、石墨烯薄膜、石墨烯气凝胶等），科学家们以石墨烯和氧化石墨烯为原料进行了大量的尝试。其中，具有高强度、高导电导热性的石墨烯纤维展现了其在储能、阻燃等领域的巨大应用前景。目前，制备石墨烯纤维主要利用氧化石墨烯水溶液为原料，采用溶液纺丝法以及后续还原过程进行制备。此外，通过调控石墨烯片尺寸、引入离子交联、与聚合物混合等方式可以有效提高石墨烯纤维力学强度。然而根据格里菲斯理论，纤维力学强度的增强往往基于牺牲其断裂伸长率，而过小的断裂伸长率限制了纤维在实际生产中的应用。
北京化工研究院塑料加工中心团队开发的高强度、高断裂伸长率石墨烯基碳纤维很好的弥补了上述缺憾。根据研究，石墨烯纤维的力学强度主要受其内部缺陷的分布、大小、位置所控制；另一方面，其断裂机制可用“拉伸-剪切”模型进行描述，即石墨烯纤维断裂主要由其内部石墨烯片层的相对滑动引起。利用目前技术所制备的石墨烯纤维在其内部存在大量缺陷，且石墨烯片层间仅存在微弱的范德华力，因此难以达到较高力学性能。北京化工研究院科研团队改进了原有制备方法，在氧化石墨烯纤维中添加酚醛树脂并高温碳化使其转化成无定形碳，新生成的无定形碳位于石墨烯片层之间，可以弥补纤维内部部分缺陷并使纤维致密化，从而增强纤维拉伸强度。同时，无定形碳可在石墨烯片层间引入新生成的C-C化学键，增强石墨烯片层间的相互作用，阻止纤维在拉伸力作用下石墨烯片层的相对滑动，从而实现在增强力学强度的同时增加其断裂伸长率。利用此种方法所制备的石墨烯基碳纤维拉伸强度可达1.45 GPa，断裂伸长率达到1.8 %，分别较纯石墨烯纤维提高113 %和38 %，其杨氏模量也达到120 GPa。此外，由于缺陷的减少以及新化学键的形成，纤维的导电性能也得到有效提高，电导率达到8.4×104 S/m。
该种方法所制备的石墨烯基碳纤维以其高强度、高断裂伸长率、高电导率等特点，有望广泛用于可穿戴器件、储能、轻质导线、太阳能电池材料等领域。
该论文作者为：Mochen Li, Xiaohong Zhang, Xiang Wang, Yue Ru, Jinliang Qiao
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http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b03108
Ultrastrong Graphene-Based Fibers with Increased Elongation
Nano Lett., 2016, 16, 6511-6515, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03108