夏洲 ，邵元龍 ,2,＊

1蘇州大學(xué)能源學(xué)院，蘇州大學(xué)能源與材料創(chuàng)新研究院，蘇州大學(xué)-北京石墨烯研究院協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215006

2北京石墨烯研究院，北京 100095

1 引言

纖維在人類社會(huì)中扮演著重要的角色，從國防科技到航天航空，從城市基建到休閑用品都有纖維的身影。隨著社會(huì)不斷的進(jìn)步發(fā)展，人們對(duì)高性能纖維的需要也在與日俱增。石墨烯是一種由碳原子sp2雜化方式結(jié)合形成的單原子層厚度的二維納米材料，由石墨烯納米片層組裝得到石墨烯纖維，可以實(shí)現(xiàn)石墨烯在納米尺度優(yōu)異的力、電、熱等優(yōu)異特性傳遞到宏觀尺度1。作為碳基纖維領(lǐng)域的最新成員，石墨烯纖維在初次制備至今一直廣受關(guān)注，并已在能量轉(zhuǎn)換、能量存儲(chǔ)、傳感響應(yīng)等多功能領(lǐng)域開發(fā)相關(guān)應(yīng)用，并同時(shí)探索智能纖維領(lǐng)域應(yīng)用2-5。

典型的碳基纖維除了石墨烯纖維以外，還有碳纖維和碳納米管纖維。碳基纖維材料因?yàn)榫哂休p量化、耐疲勞性、耐熱性、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為我國在國防軍工以及航空航天等領(lǐng)域的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料6。圖1系統(tǒng)總結(jié)了三種典型碳基纖維的發(fā)展歷史7。碳纖維和碳納米管纖維的發(fā)現(xiàn)時(shí)間遠(yuǎn)早于石墨烯纖維，回顧兩者的發(fā)展歷程能夠給石墨烯纖維下一步的發(fā)展規(guī)劃帶來一定啟示。

圖1 碳基纖維發(fā)展歷程7：碳纖維8,9，碳納米管纖維21,23-25和石墨烯纖維27-33Fig. 1 The development history of carbonaceous fibers 7: carbon fibers 8,9,carbon nanotube (CNT) fibers 21,23-25, and graphene fibers 27-33.

碳纖維自1860年由英國發(fā)明家Swan在探索白熾燈絲的制備過程中首次制得以來，經(jīng)歷了百余年的發(fā)展，特別是20世紀(jì)60年代進(jìn)藤昭男開發(fā)出聚丙烯腈(PAN)基碳纖維之后8，東麗公司持續(xù)推動(dòng)陸續(xù)開發(fā)出了T300至T1100多種高性能碳纖維，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)。使得碳纖維成為高性能纖維的代表，在航空航天、國防科技等尖端領(lǐng)域迅速嶄露頭角，并占據(jù)舉足輕重的地位9,10。盡管現(xiàn)在碳纖維產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展成熟，但是受限于多晶和復(fù)雜的晶界結(jié)構(gòu)，碳纖維的實(shí)際密度(1.80 g·cm-3)和拉伸強(qiáng)度(7 GPa)目前仍低于理論值(2.266 g·cm-3，180 GPa)，除此以外，現(xiàn)有碳纖維也難以發(fā)揮碳材料優(yōu)異的導(dǎo)電及導(dǎo)熱等性能。碳納米管、石墨烯等碳納米材料主要由sp2雜化碳原子構(gòu)成，碳原子之間以σ鍵與π鍵相連，賦予碳納米管和石墨烯優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、導(dǎo)熱等性能11-14。單壁碳納米管在管內(nèi)的σ鍵與π鍵連接以外，卷曲過程中還發(fā)生些許σ鍵與π鍵雜化15-17。經(jīng)過合理的材料組裝工藝設(shè)計(jì)，有望實(shí)現(xiàn)納米碳材料的微觀優(yōu)異特性向宏觀結(jié)構(gòu)傳遞18-20。2000年，法國科學(xué)家Poulin等21通過濕法紡絲技術(shù)，首次制備出碳納米管纖維，拉伸強(qiáng)度約為150 MPa，拉開了碳納米管纖維研究的序幕。2002年清華大學(xué)范守善團(tuán)隊(duì)22首次利用陣列紡絲方法制備30 cm長(zhǎng)的碳納米管纖維，2004年，我國科學(xué)家李亞利在英國劍橋大學(xué)訪學(xué)期間，與Windle等合作，實(shí)現(xiàn)了浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積法(CVD)連續(xù)制備碳納米管纖維23。2013年美國萊斯大學(xué)借助液晶紡絲技術(shù)制備出了拉伸強(qiáng)度達(dá)到1.0 GPa的碳納米管纖維24。近些年，我國在碳納米管纖維的基礎(chǔ)研究和批量制備方面成果顯著。清華大學(xué)魏飛團(tuán)隊(duì)25在碳納米管生長(zhǎng)制備領(lǐng)域不斷突破，在2018年報(bào)道了厘米級(jí)碳納米管管束，機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到80 GPa。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所李清文教授團(tuán)隊(duì)26，持續(xù)發(fā)展了浮動(dòng)催化CVD連續(xù)制備碳納米管纖維及其納米復(fù)合材料技術(shù)，取得豐碩成果。經(jīng)過近20年的發(fā)展，碳納米管纖維制備技術(shù)日益成熟15，已經(jīng)初步進(jìn)入纖維宏量連續(xù)制備、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展的攻堅(jiān)階段。

與碳納米管纖維相比，石墨烯纖維研究起步相對(duì)較晚。2011年，浙江大學(xué)的高超課題組27首先報(bào)道了通過液晶紡絲成功紡制出石墨烯纖維，拉伸強(qiáng)度為140 MPa。緊接著2013年，他們繼續(xù)通過系統(tǒng)研究氧化石墨烯(GO)液晶紡絲體系，增加離子交聯(lián)作用，采用大片層GO，將纖維強(qiáng)度提升至501.5 MPa28。與此同時(shí)，石墨烯纖維領(lǐng)域的研究引起世界范圍廣泛關(guān)注，萊斯大學(xué)的Tour課題組29以及臥龍崗大學(xué)的Wallace課題組30分別探索了GO液晶紡絲過程中大小片比例以及凝固浴組分對(duì)成品石墨烯纖維拉伸模量、斷裂強(qiáng)度的影響。2015年美國倫斯特理工的Lian團(tuán)隊(duì)31提出采用大小片GO組合方式提升石墨烯纖維的堆疊密度，結(jié)合高溫石墨化過程，制備得到的石墨烯纖維拉伸強(qiáng)度首次突破1 GPa (達(dá)到1.08 GPa)。在這之后，他們?cè)偻ㄟ^設(shè)計(jì)噴絲板對(duì)紡絲過程進(jìn)行微流體控制，系統(tǒng)研究了噴絲板限域空間對(duì)紡絲流體以及二維片層取向排布極大地增強(qiáng)了石墨烯纖維內(nèi)部的取向(取向度提升至0.91)32。在這期間，高超課題組也在高強(qiáng)度石墨烯纖維領(lǐng)域取得進(jìn)展。例如他們?cè)诟邷厥幕A(chǔ)上引入纖維細(xì)旦化工藝，進(jìn)一步降低纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，將石墨烯纖維的拉伸強(qiáng)度提升至2.2 GPa33。2020年他們?cè)跐穹徑z過程中引入塑化機(jī)制，縮短石墨烯片層間距，提升片層取向度同時(shí)，增加纖維密度，拉伸強(qiáng)度達(dá)到3.4 GPa34。

如圖1所示，盡管近些年石墨烯纖維領(lǐng)域發(fā)展顯著，但是相比碳纖維和碳納米管纖維，石墨烯纖維相關(guān)研究起步晚，技術(shù)的成熟度低，還處在優(yōu)化石墨烯片層結(jié)構(gòu)、紡絲工藝，提升纖維基本性能的階段。但隨著制備工藝的不斷改善，石墨烯纖維有望實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的高性能碳基纖維。

本文對(duì)濕法紡制石墨烯纖維的基本工藝、纖維的結(jié)構(gòu)、基本性能及其智能領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行了綜述，總結(jié)了制備工藝對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響，以及纖維結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。同時(shí)本文也總結(jié)討論了目前石墨烯纖維中前沿的制備策略，闡述了石墨烯纖維潛在的應(yīng)用，最后展望了石墨烯纖維組裝過程中的部分問題以及發(fā)展方向。

2 濕法紡制石墨烯纖維的制備工藝

石墨烯通過自組裝過程形成宏觀的一維石墨烯纖維，在石墨烯纖維的制備上逐漸形成了多種工藝，如：濕法紡絲35、干法紡絲36,37、干噴濕法38、電泳沉積法39、限域水熱組裝法40-42、薄膜紡絲21,43-49、模板輔助化學(xué)氣相沉積法50-60等。其中濕法紡絲技術(shù)作為石墨烯纖維的最主流的制備方法，可以與現(xiàn)有的化學(xué)纖維制備工藝兼容，是最有望實(shí)現(xiàn)批量化制備石墨烯纖維的技術(shù)路線。本節(jié)主要介紹石墨烯纖維的濕法紡絲工藝，重點(diǎn)討論制備技術(shù)與石墨烯纖維結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

2.1 濕法紡絲的基本工藝

石墨烯纖維的濕法紡制工藝主要借鑒于傳統(tǒng)的濕法紡絲工藝過程。其基本流程如圖2a所示，將制備得到的具有一定黏度的GO分散液在氣壓泵的作用下經(jīng)過過濾器，在噴絲口處均勻定量的注入到凝固浴中，在雙擴(kuò)散機(jī)制的作用下原液細(xì)流在凝固浴中凝固成型得到初生絲條。之后進(jìn)行一定程度的牽伸處理，經(jīng)過一次或者多次的洗滌槽，進(jìn)一步固化，初步形成GO纖維。后續(xù)經(jīng)過干燥箱干燥去除溶劑以及高溫?zé)Y(jié)等工藝得到成品石墨烯纖維，最后進(jìn)行卷繞收集。

在濕法紡制纖維的過程中，凝固成型過程是整個(gè)濕法紡絲的關(guān)鍵步驟，在凝固浴中主要涉及到雙擴(kuò)散以及相轉(zhuǎn)變過程。如圖2b所示，當(dāng)原液細(xì)流注入到凝固浴中時(shí)，GO流體與凝固浴存在濃度梯度，細(xì)流中的溶劑會(huì)向凝固浴溶液擴(kuò)散，凝固浴中的沉淀劑會(huì)向原液細(xì)流擴(kuò)散，這樣的一個(gè)過程稱為雙擴(kuò)散過程。在傳統(tǒng)纖維的濕法紡絲過程中，對(duì)于凝固浴中雙擴(kuò)散過程已經(jīng)有了充分的研究，緩慢的擴(kuò)散過程有助于提升初生纖維的均勻性。在這一過程中，凝固浴的濃度、溶劑和凝固劑的種類、紡絲原液的濃度、紡絲速度、添加劑等都會(huì)對(duì)雙擴(kuò)散過程的擴(kuò)散速率產(chǎn)生重要影響。

在GO絲條凝固過程中，相分離對(duì)纖維成型起著決定性作用。圖2c是三元相圖以及相分離模型。當(dāng)GO細(xì)流注入到溶劑中時(shí)會(huì)形成聚合物(P)-溶劑(S)-凝固劑(N)的三元體系。圖中的圓弧線是相分離線，空白區(qū)域是均相體系，陰影部分代表著兩相分相體系，在陰影范圍內(nèi)GO絲條才能實(shí)現(xiàn)凝固。

只經(jīng)過凝固浴得到的凝固絲稱為初生纖維，纖維內(nèi)部沿著纖維軸向分布排列的取向度較低。初生GO纖維，片層排布較為紊亂，未經(jīng)過牽伸、熱處理等工藝，機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。如圖2d所示，在經(jīng)過拉伸處理之后，纖維中的結(jié)構(gòu)中的GO單元在應(yīng)力的作用下，沿著纖維軸線展開，提高片層取向度的同時(shí)也會(huì)減少纖維中的孔隙率從而提升纖維的堆積密度。

圖2 石墨烯纖維的濕法紡制工藝Fig. 2 Wet spinning of graphene fibers.

2.2 紡絲原液

在石墨烯纖維濕法紡絲制備過程中，紡絲原液的配制及流變性能對(duì)流體的可紡性及最終纖維的性能至關(guān)重要。英國倫敦大學(xué)的Coveney等58利用GO/聚乙二醇和GO/聚乙烯醇倆個(gè)體系結(jié)構(gòu)分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示GO的分散和團(tuán)聚規(guī)律。圖3a是GO在聚合物中分散的不同形態(tài)。Coveney等研究發(fā)現(xiàn)GO很容易和聚乙烯醇形成密集的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，而這樣的強(qiáng)氫鍵作用會(huì)使得GO發(fā)生插層型團(tuán)聚，從而無法在聚乙烯醇中穩(wěn)定分散。在聚乙二醇的體系研究中發(fā)現(xiàn)，通過改變GO片層或者聚合物介質(zhì)的氧化量可以平衡各種類型的插入結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)GO的有序分散結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。Xu等通過調(diào)整GO在水溶液中的分散濃度觀察到體系中有穩(wěn)定的向列液晶結(jié)構(gòu)，并利用這樣的液晶結(jié)構(gòu)制備出了石墨烯纖維27。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)GO片層大小約為22 μm時(shí)，形成液晶結(jié)構(gòu)的臨界濃度為4 mg·mL-1，當(dāng)片層大小減小到0.91 μm時(shí)，形成液晶結(jié)構(gòu)的臨界濃度為81 mg·mL-127,62。與此同時(shí)，Wallace等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GO片層大小為37 μm時(shí)，臨界濃度為0.75 mg·mL-130，當(dāng)GO濃度為2.5mg·mL-1時(shí)，石墨烯纖維可紡的臨界黏度為29 Pa·s63。圖3b是GO溶液中液晶相與非液晶相的偏光顯微鏡照片。東華大學(xué)朱美芳課題組64通過非液晶態(tài)GO實(shí)現(xiàn)高濃度紡絲液，得到了多孔石墨烯纖維，其纖維斷裂強(qiáng)度也達(dá)到了208 MPa，與其他多孔材料相比呈現(xiàn)出較高的力學(xué)強(qiáng)度?？傮w來講，向列液晶結(jié)構(gòu)有利于GO纖維形成緊密的二維片層堆疊結(jié)構(gòu)，更易于實(shí)現(xiàn)較高的力學(xué)強(qiáng)度及導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性。

圖3 石墨烯及氧化石墨烯在紡絲液內(nèi)的分散結(jié)構(gòu)27,30,64Fig. 3 The dispersion structure of graphene and GO in spinning liquid 27,30,64.

傳統(tǒng)化學(xué)纖維結(jié)構(gòu)從微觀到宏觀分為三個(gè)層次：(1)纖維聚合物分子鏈段結(jié)構(gòu)；(2)纖維鏈段聚集態(tài)結(jié)構(gòu)；(3)纖維介觀或宏觀結(jié)構(gòu)。參照傳統(tǒng)纖維結(jié)構(gòu)的三個(gè)層次，石墨烯纖維結(jié)構(gòu)從微觀到宏觀也可以分為三個(gè)層次：(1)石墨烯片層面內(nèi)結(jié)構(gòu)；(2)片層之間的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)；(3)纖維整體的孔隙度及宏觀結(jié)構(gòu)。在紡絲液的制備過程中，可以針對(duì)石墨烯纖維(1)和(2)這兩級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減少微觀層面的晶界數(shù)目，從而降低缺陷密度，提升纖維各方面性能。Xiang等29利用平均尺寸分別為20和9 μm的GO進(jìn)行石墨烯纖維的濕法紡制，發(fā)現(xiàn)大尺寸的GO纖維可以有效提升纖維的機(jī)械性能，其拉伸強(qiáng)度提升了78%。Chen等65通過使用不同面積的GO進(jìn)行石墨烯纖維的紡制，也發(fā)現(xiàn)大尺寸GO (30 μm)其拉伸強(qiáng)度相比較于小尺寸的GO (5 μm)提升了72.5%。如圖4a所示，Lian課題組32通過大小片層GO調(diào)控紡絲原液，探討了片層尺寸對(duì)石墨烯纖維堆疊密度和力學(xué)性能的影響(圖4a)。他們發(fā)現(xiàn)大片層GO (23 μm)作為紡絲液時(shí)可以有效增加纖維的片層取向，但大片層的褶皺會(huì)導(dǎo)致纖維內(nèi)部大量孔隙。而使用小片層GO (0.8 μm)作為紡絲液時(shí)其纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)充實(shí)，但是內(nèi)部雜亂無章，取向度差。因此，他們采用大小片結(jié)合的GO原液，借助大片層GO形成高取向結(jié)構(gòu)，小片層GO進(jìn)行空隙填充，同時(shí)兼顧了大小片各自的優(yōu)點(diǎn)，有效地提升了纖維的力學(xué)強(qiáng)度(1.08 GPa)31。此外，在GO原液的制備中增強(qiáng)界面相互作用也是目前常用的處理手段65，如通過引入金屬離子(Ca2+等28)加強(qiáng)離子交聯(lián)作用(圖4b)，通過使用有機(jī)物(聚多巴胺67,68、酚醛樹脂69等)經(jīng)過碳化后與石墨烯進(jìn)行交聯(lián)進(jìn)而增強(qiáng)界面結(jié)合力(圖4c)，均有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道可以有效提升纖維的力學(xué)性能。

圖4 石墨烯纖維紡絲原液處理方法28,31,69Fig. 4 Various optimization method of graphene fiber spinning slurry 28,31,69.

2.3 凝固浴

濕法紡制纖維工藝中凝固浴的選擇極為重要。紡絲流體經(jīng)過噴絲孔注入到凝固浴時(shí)形成的原液細(xì)流，在雙擴(kuò)散和相轉(zhuǎn)變的物理變化作用下凝固形成初生纖維。凝固浴中沉淀劑的選擇以及沉淀劑的濃度對(duì)于初生纖維以及纖維的性能會(huì)產(chǎn)生顯著影響。2011年，高超課題組報(bào)道使用水/乙醇作為凝固浴，形成的初生纖維需要在凝固浴浸泡三十分鐘充分進(jìn)行溶劑-凝固劑雙擴(kuò)散，但由于凝固浴濃度差過大，擴(kuò)散過程反而破壞了石墨烯片層沿纖維軸向的取向排布，導(dǎo)致初生纖維強(qiáng)度較低，無法滿足連續(xù)化的制備過程要求27。GO表面具有大量的含氧極性基團(tuán)，易在極性溶液中分散，2016年高超課題組通過凝固浴設(shè)計(jì)規(guī)避這一問題，使用非極性溶劑作為凝固浴，使GO快速析出，形成了石墨烯纖維連續(xù)化制備工藝30。鹽的添加可以促進(jìn)GO液晶相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，破壞GO在水溶液中分散效果，加快凝固浴中的雙擴(kuò)散過程，許震等人通過在GO紡絲液中添加氯化鈉溶液，可以加快石墨烯從向列相向混相以及固相的轉(zhuǎn)變，加快石墨烯在溶液中的析出效果70。

2.4 紡絲過程

目前報(bào)道通過濕法紡制石墨烯纖維的收集方法主要有兩種，分別是旋轉(zhuǎn)圓盤收集和牽引收集。旋轉(zhuǎn)圓盤收集的優(yōu)點(diǎn)在于方便快捷，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求不高，適用于少量纖維制備，缺點(diǎn)在于難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化制備和引入牽伸及后處理過程。牽引收集通過在收集過程加入牽伸作用，可以極大的增加纖維內(nèi)部的取向度，降低孔隙率。雖然牽引收集對(duì)纖維的力學(xué)強(qiáng)度要求高，工藝流程較長(zhǎng)，但是這一工藝與傳統(tǒng)濕法紡絲工藝流程兼容性好，制備得到纖維緊實(shí)，力學(xué)強(qiáng)度高。技術(shù)成熟后可沿用到濕法紡絲工藝流程線，是目前常用的高性能石墨烯纖維制備技術(shù)手段。圖5a是牽伸收集制備過程示意圖33。Park等71通過控制收集速率和出絲速率，對(duì)牽伸收集進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)4倍速的收集速率(取向因子0.71)相比較于等速收集速率(取向因子0.01)可以有效提升纖維內(nèi)部的取向結(jié)構(gòu)(圖5b)。Xiang等29和Xu等33同樣也發(fā)現(xiàn)通過提升收集速率可以顯著提升纖維的取向，從而極大提升纖維性能，Xu等33通過施加1.2倍速的牽伸速度，得到取向度為0.8的石墨烯纖維。

噴絲口的設(shè)計(jì)對(duì)纖維內(nèi)部片層的取向度和纖維的宏觀形貌也有著重要影響。噴絲口的斷面結(jié)構(gòu)和尺寸直接決定紡絲流體經(jīng)過噴絲口的剪切力，流體承受的內(nèi)壁壓力大小，從而影響纖維密實(shí)程度及片層取向度。Lian課題組32通過對(duì)噴絲口的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)從而對(duì)GO原液進(jìn)行微流體定向控制實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯纖維的微結(jié)構(gòu)控制(圖5c，d)。他們研究發(fā)現(xiàn)使用扁平噴絲口時(shí)可以增強(qiáng)紡絲原液沿著纖維軸向剪切力，驅(qū)動(dòng)GO片沿著纖維的軸向分布從而提升纖維的取向度。此外通過在牽伸過程中引入塑化過程可以進(jìn)一步提升纖維的密度，高超課題組通過在紡絲過程中加入塑化劑，研究發(fā)現(xiàn)塑化劑可以在沿纖維軸向進(jìn)行牽伸的基礎(chǔ)上盡可能的鋪展開石墨烯片層，精確控制石墨烯片的構(gòu)象，有效減少纖維內(nèi)部無規(guī)皺褶，讓石墨烯片層的排列接近晶體構(gòu)型，纖維的密度達(dá)到1.9 g·cm-334。

圖5 濕法紡制石墨烯纖維紡絲工藝優(yōu)化技術(shù)手段32,33,71Fig. 5 The optimization approaches for graphene fiber wet spinning process 32,33,71.

2.5 后處理過程

目前通過濕法紡制石墨烯纖維的原液大多數(shù)采用GO作為紡絲原液。在GO的制備過程中會(huì)通過強(qiáng)氧化劑對(duì)石墨進(jìn)行氧化，在石墨烯片層表面留下大量的含氧官能團(tuán)及結(jié)構(gòu)缺陷(圖6a)72。因此，在后處理工藝過程需要消除GO纖維的含氧官能團(tuán)以及修復(fù)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷。目前對(duì)GO還原的手段眾多，如化學(xué)還原73-76，熱還原77，電化學(xué)還原78等。目前報(bào)道的石墨烯纖維還原方法以化學(xué)還原和熱還原為主，化學(xué)還原大多以HI還原為主。HI還原會(huì)去除GO表面大部分的環(huán)氧基團(tuán)和羥基，HI還原的石墨烯纖維其纖維的電導(dǎo)率達(dá)到4.1 × 104S·m-128?；瘜W(xué)還原的方法高效且相對(duì)溫和，但是對(duì)表面官能團(tuán)的去除以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的修復(fù)方面遠(yuǎn)不及熱還原。除此以外，高溫過程可以使纖維內(nèi)部形成石墨化結(jié)構(gòu)，提升碳含量純度，對(duì)纖維的力學(xué)強(qiáng)度、模量、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都有顯著的增強(qiáng)作用，所以大多高性能的石墨烯纖維都采用高溫?zé)徇€原。在高溫?zé)徇€原下，被氧原子隔離的石墨碳微晶結(jié)構(gòu)之間隨著氧官能團(tuán)的不斷去除逐漸恢復(fù)到sp2雜化結(jié)構(gòu)(圖6b，c)79,80，在高溫還原的作用下，高度修復(fù)GO內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷(圖6d，e)。Lian課題組31使用大小片協(xié)同的GO原液調(diào)節(jié)內(nèi)部取向以及纖維密度的同時(shí)，通過施加2800 °C高溫，石墨烯纖維完成了高度熱還原和石墨化過程，纖維的電導(dǎo)率和拉伸強(qiáng)度都得到了顯著提升，高溫?zé)崽幚硐碌氖├w維電導(dǎo)率是1400 °C得到樣品的4倍多。高超課題組31同樣通過高溫處理，在近3000 °C的高溫下得到拉伸強(qiáng)度為2.2 GPa，電導(dǎo)率為8 × 105S·m-1的石墨烯纖維(圖6f，g)。

圖6 高溫?zé)徇€原石墨烯纖維結(jié)構(gòu)分析32,72,80Fig. 6 Structure analysis of high temperature thermal reduction graphene fiber 32,72,80.

濕法紡制石墨烯纖維是目前制備高性能石墨烯纖維的最有效途徑，通過對(duì)制備工藝中紡絲原液，凝固浴的種類以及濃度，牽伸速率，噴絲結(jié)構(gòu)等紡絲參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以有效對(duì)纖維內(nèi)部的缺陷密度、取向度以及纖維的密度、形貌做有效調(diào)控。

3 石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)與性能

制備工藝決定石墨烯纖維結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)則決定石墨烯纖維的性能。二維石墨烯片層具有優(yōu)異的物理性質(zhì)，理想的石墨烯纖維由石墨烯片層組裝，實(shí)現(xiàn)片層性能向宏觀組裝體傳遞，但是基于紡絲原料氧化石墨烯本征缺陷以及組裝過程中帶來的結(jié)構(gòu)缺陷，還暫時(shí)難以實(shí)現(xiàn)石墨烯優(yōu)異性能的完美承接。研究人員針對(duì)石墨烯纖維內(nèi)部從原子到宏觀組裝纖維的多尺度結(jié)構(gòu)缺陷，系統(tǒng)優(yōu)化了石墨烯纖維紡絲工藝過程，例如：高溫退火處理修復(fù)石墨烯片層結(jié)構(gòu)缺陷；纖維細(xì)旦化、塑化過程提升二維片層排布取向度和纖維密度，降低纖維內(nèi)部褶皺、堆疊、孔隙等結(jié)構(gòu)缺陷，提升石墨烯纖維內(nèi)部的取向、結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有效的力學(xué)傳遞，降低電子和聲子傳遞阻礙，從而提升石墨烯纖維的力學(xué)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能。本節(jié)將主要探討石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)和纖維性能之間關(guān)系，著重討論石墨烯纖維的力學(xué)、電學(xué)及導(dǎo)熱性能。

3.1 力學(xué)性能

石墨烯由sp2雜化的碳原子組成，碳原子與碳原子之間以σ鍵與π鍵相連，因?yàn)檫@樣獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，單層石墨烯展現(xiàn)出突出的拉伸強(qiáng)度(～150 GPa)。如圖7a所示，傳統(tǒng)纖維的結(jié)構(gòu)主要由長(zhǎng)鏈段高分子組成，其中纖維力學(xué)性能主要由分子鏈段的長(zhǎng)度，微觀聚集結(jié)構(gòu)和宏觀密度及孔隙度決定。當(dāng)纖維內(nèi)部越接近于理想的長(zhǎng)鏈段順排結(jié)構(gòu)，纖維的力學(xué)性能就會(huì)越高(圖7a)81。

石墨烯纖維的力學(xué)性能主要受到石墨烯纖維內(nèi)部的單片層尺寸、堆疊密度以及結(jié)構(gòu)缺陷影響。首先細(xì)旦化是目前提升纖維力學(xué)性能的一個(gè)有效途徑。通過石墨烯纖維的牽伸過程，減少石墨烯片層褶皺，降低纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而提升纖維的力學(xué)強(qiáng)度。2011年，首次報(bào)道的石墨烯纖維拉伸強(qiáng)度為140 MPa，楊氏模量為7.7 GPa27。2016年，高超課題組33通過缺陷調(diào)控將石墨烯纖維拉伸強(qiáng)度提升到2.2 GPa，楊氏模量提升到400 GPa (圖7b)。其次紡絲前驅(qū)體原料GO片層尺寸在提升石墨烯纖維力學(xué)性能方面，具有顯著影響。Xiang等29通過利用不同尺寸的GO片作為原液制備石墨烯纖維，發(fā)現(xiàn)大尺寸石墨烯纖維(20 μm)比小尺寸石墨烯纖維(9 μm)的拉伸強(qiáng)度會(huì)提升78%。大尺寸的GO之所以會(huì)增加石墨烯纖維的力學(xué)性能得益于較大的尺寸可以有效降低纖維內(nèi)部的末端搭接密度，減少缺陷密度。然而，當(dāng)石墨烯纖維的強(qiáng)度增加到一定范圍，大片層會(huì)在纖維內(nèi)部形成大量褶皺，這些褶皺會(huì)造成石墨烯纖維內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，降低石墨烯片層取向度，從而降低石墨烯纖維整體力學(xué)強(qiáng)度。小尺寸石墨烯雖然會(huì)增加纖維內(nèi)部的搭接密度，但是小尺寸石墨烯的褶皺密度更小，Lian等31通過調(diào)節(jié)大小片層比例，添加30% (w)的小尺寸石墨烯在有效提升纖維的緊實(shí)程度的同時(shí)最大化提升纖維力學(xué)性能。

圖7 石墨烯纖維力學(xué)性能優(yōu)化32,81Fig. 7 Various methods to enhance the mechanical properties of graphene fibers 32,81.

除此以外，通過在紡絲過程中噴絲口處進(jìn)行微流體定向控制以及在收集過程中加入牽伸處理，可以有效提升纖維的取向度和增加纖維的密度，從而提升纖維力學(xué)強(qiáng)度32。另外通過高溫?zé)崽幚淼姆绞揭彩悄壳疤嵘├w維力學(xué)強(qiáng)度最有效的手段之一。高溫?zé)徇€原可以有效減少GO表面的官能團(tuán)數(shù)目，降低石墨烯內(nèi)部的缺陷，并且還原過程可以有效縮短GO的層間距離從而增強(qiáng)界面摩擦力和范德瓦爾斯力，有效提升纖維的力學(xué)強(qiáng)度31。

3.2 電學(xué)性能

得益于石墨烯獨(dú)特的零帶隙電子結(jié)構(gòu)(圖8a)，電子在二維石墨烯中沿著六圓環(huán)的邊緣飛速傳輸82。如圖8b所示，當(dāng)電子傳輸?shù)绞┻吘壓腿毕萏帟r(shí)，部分電子無法越過勢(shì)壘從而產(chǎn)生散射現(xiàn)象阻礙電子的傳導(dǎo)，僅部分電子會(huì)發(fā)生隧穿效應(yīng)從而可以繼續(xù)傳輸?；诖?，石墨烯的理論電子電導(dǎo)率可以達(dá)到108S·m-1。石墨烯的高電子電導(dǎo)率有望通過纖維結(jié)構(gòu)組裝，實(shí)現(xiàn)向宏觀結(jié)構(gòu)傳遞。

圖8 石墨烯纖維電學(xué)性能優(yōu)化31,82,85Fig. 8 Various approaches to enhance the electrical properties of graphene fibers 31,82,85.

在石墨烯纖維的紡制過程中，通過使用大片層以及通過添加牽伸作用都可以提升電導(dǎo)率，較大的石墨烯片層可以有限降低纖維中片層之間的搭接密度，并且在牽伸力的作用下，纖維內(nèi)部GO片層的排列更加有序同時(shí)更為緊湊，降低電子在片層之間躍遷的能壘，從而有效提升電導(dǎo)率。Chen等65通過使用大面積的GO (30 μm)其電導(dǎo)率相比較于小面積的GO (5 μm)提升了52.4%，通過調(diào)節(jié)拉伸比提高了石墨烯纖維內(nèi)部的取向度將電導(dǎo)率從2.1 × 105S·m-1提升到3.2 × 105S·m-1。Xu等33通過施加1.3倍的牽伸將石墨烯纖維電導(dǎo)率提升了56%。

除此以外，石墨烯纖維的還原程度和載流子濃度對(duì)最終纖維的電子電導(dǎo)率也有較大影響。高度還原的石墨烯可以有效降低內(nèi)部的缺陷密度，從而減少電子傳輸過程中的散射效應(yīng)。Lian課題組31高溫還原石墨化制備的石墨烯纖維展現(xiàn)出2.21 ×105S·m-1的高電子電導(dǎo)率，相比較于1400 °C下還原得到的石墨烯纖維(0.5 × 105S·m-1)其性能提升了3.42倍(圖8c，d)。同樣地，高超課題組通過高溫還原制備得到電導(dǎo)率為8 × 105S·m-1的超高導(dǎo)電石墨烯纖維32。因?yàn)椴牧系碾妼?dǎo)率與材料內(nèi)部的載流子濃度與載流子遷移率成正比，所以提升石墨烯纖維內(nèi)部的載流子濃度也可以有效提升電導(dǎo)率82。隨后他們分別通過在紡絲液里面添加銀納米線(電導(dǎo)率為9.3 × 104S·m-1)84和通過后處理方式在成型的石墨烯纖維內(nèi)摻雜FeCl3(0.77 × 107S·m-1)，Br2(1.5 × 107S·m-1)，K (2.24 × 107S·m-1)，顯著提升了石墨烯纖維的電子電導(dǎo)率(圖8e)85。

3.3 熱學(xué)性能

單層石墨烯的熱導(dǎo)率為5000 W·m-1·K-1。因?yàn)槭娱g的相互作用會(huì)阻礙聲子的傳輸，所以隨著石墨烯層數(shù)的增加熱導(dǎo)率也會(huì)不斷下降86。與此同時(shí)石墨烯的晶界也會(huì)對(duì)聲子的傳輸造成影響，故而通過石墨烯自組裝得到的宏觀材料其熱導(dǎo)率會(huì)大幅下降。在設(shè)計(jì)石墨烯基材料時(shí)，可通過石墨烯的片層大小以及片層厚度的調(diào)控，改善石墨烯纖維的熱導(dǎo)率87。基于此，Jalili等61通過使用平均尺寸為37 μm的GO片通過液晶紡絲制備得到石墨烯纖維，其熱導(dǎo)率可達(dá)到1435 W·m-1·K-1。Lian課題組31研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯纖維內(nèi)部片層尺寸、取向度以及堆積密度對(duì)熱導(dǎo)率也具有顯著影響。他們指出當(dāng)小片層占據(jù)百分之三十時(shí)，熱導(dǎo)率到達(dá)最高為607 W·m-1·K-1。并且隨著后期還原溫度的提高，熱導(dǎo)率可以繼續(xù)提升，當(dāng)還原溫度達(dá)到2800 °C時(shí)，熱導(dǎo)率可以達(dá)到1025 W·m-1·K-1。

目前，石墨烯纖維領(lǐng)域的眾多研究者從石墨烯片層面內(nèi)結(jié)構(gòu)、石墨烯聚集結(jié)構(gòu)以及纖維宏觀結(jié)構(gòu)，不斷降低內(nèi)部缺陷，提升材料取向度和密度，對(duì)石墨烯纖維的基元材料以及石墨烯纖維進(jìn)行系統(tǒng)地優(yōu)化，不斷提升石墨烯纖維的各方面性能。但是石墨烯纖維所呈現(xiàn)出的宏觀力學(xué)、電學(xué)性能與石墨烯的理論特性仍存在較大差距，甚至遠(yuǎn)低于商業(yè)化碳纖維和現(xiàn)有碳納米管纖維的力學(xué)強(qiáng)度和電導(dǎo)率。這也說明石墨烯纖維的研究發(fā)展仍存在較大空間，需要從石墨烯纖維三級(jí)結(jié)構(gòu)、紡絲工藝等方面設(shè)計(jì)入手，持續(xù)提升石墨烯纖維的制備工藝。

4 基于石墨烯材料的功能/智能纖維應(yīng)用

智能纖維與智能織物是指能夠感知人體以及外部環(huán)境變化，并做出智能響應(yīng)的纖維或纖維集合體(紗線和織物等)。智能纖維通常分為兩類，一類是在常規(guī)纖維表面或內(nèi)部修飾、復(fù)合功能材料，形成功能/智能纖維，另一類直接用功能材料直接形成纖維、紗線或織物。相比于柔性電子器件，智能纖維/織物具有更突出的柔性、輕盈、透氣、穿著舒適等特點(diǎn)。智能織物作為可穿戴系統(tǒng)的重要分支，可以在不影響服用性能的同時(shí)，提供如感知、驅(qū)動(dòng)、修復(fù)、顯示等多種功能(圖9)。智能服裝早期在軍事領(lǐng)域內(nèi)得到迅猛發(fā)展，如：?jiǎn)伪鲬?zhàn)強(qiáng)化裝備，個(gè)人保護(hù)，生理檢測(cè)，通信聯(lián)絡(luò)等。近期則發(fā)展到綜合性更強(qiáng)更成熟的裝備系統(tǒng)，致力于機(jī)械外骨骼、提升士兵綜合探知能力等。

圖9 智能纖維和智能織物概念介紹Fig. 9 Concept introduction of smart fiber and smart fabric.

過去二十年里，各國政府和企業(yè)在智能纖維/織物領(lǐng)域投入了大量科研資源，并取得初步成效。據(jù)英國分析公司IDTechEx預(yù)測(cè)，2022年采用智能紡織品的可穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)將達(dá)到700億美元。近些年，美國、歐洲等眾多國家在智能纖維/服裝領(lǐng)域投入重資促進(jìn)發(fā)展，例如德國于2013年推出“未來紡織”的國家級(jí)發(fā)展戰(zhàn)略，美國于2015年由國防部牽頭出資3.15億美金設(shè)立“革命性纖維和紡織品創(chuàng)新制造研究所”，歐盟的2020地平線計(jì)劃也支持了一系列與智能纖維/服裝相關(guān)的研究計(jì)劃。中國在紡織工業(yè)十三五發(fā)展規(guī)劃中也明確指出，要推進(jìn)“智能化紡織”。

實(shí)現(xiàn)智能纖維/服裝的核心及技術(shù)關(guān)鍵在于功能纖維材料的開發(fā)。智能纖維或服裝系統(tǒng)可覆蓋目前廣泛使用的各種材料，包括金屬、非金屬、聚合物等。為實(shí)現(xiàn)高性能的智能纖維或服裝系統(tǒng)，研發(fā)了一系列新型導(dǎo)電纖維、可拉伸電子器件、能量收集、能量存儲(chǔ)和邏輯器件等功能/智能纖維88,89?；谑├w維優(yōu)異的電導(dǎo)率、較好的機(jī)械柔韌性和較低的密度，使其在多種功能纖維器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景90-100。例如，濕法紡制的石墨烯纖維在超輕導(dǎo)線、制動(dòng)器、微型發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能器件、傳感以及生物電極方面都展示出良好的發(fā)展趨勢(shì)。

4.1 信號(hào)傳輸

石墨烯纖維具有好的導(dǎo)電性，可以直接接入電路充當(dāng)導(dǎo)線。相比較于現(xiàn)在的商業(yè)化導(dǎo)線，石墨烯纖維具有質(zhì)量輕，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。高超課題組通過后處理的方式在石墨烯纖維內(nèi)部摻雜FeCl3、Br2、K提高了石墨烯纖維內(nèi)的載流子濃度提升了電導(dǎo)率，使用Br2摻雜的石墨烯纖維代替USB電纜里面的銅導(dǎo)線，其讀寫速度基本保持一致，標(biāo)志著石墨烯纖維在高頻信號(hào)傳輸領(lǐng)域有較好前景。同時(shí)使用1 m長(zhǎng)的Br2摻雜的石墨烯纖維作為導(dǎo)線為臺(tái)燈供電，其性能與銅線傳導(dǎo)效率相近85(圖10a)。與此同時(shí)，Xu等33通過缺陷工程的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了石墨烯纖維從片層取向度和纖維密度的雙重提升，大大改善了石墨烯纖維力學(xué)性能和電導(dǎo)率，并成功將其應(yīng)用于18 V燈泡的燈絲，實(shí)現(xiàn)500小時(shí)的穩(wěn)定工作。他們嘗試采用0.55 g的石墨烯纖維取代電動(dòng)機(jī)中的4.4 g的銅線，成功在8 V的電壓下以360 rmp的速度旋轉(zhuǎn)。這說明石墨烯超輕導(dǎo)線可以取代銅導(dǎo)線進(jìn)行工作極大地降低發(fā)電機(jī)重量(圖10b)，標(biāo)志著石墨烯纖維在超輕導(dǎo)線領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

GO表面具有豐富的官能團(tuán)，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，GO通過與環(huán)境中水分的吸收過程可以發(fā)生形狀和電荷分布的變化。利用這一特性，石墨烯纖維在電化學(xué)制動(dòng)器件以及可穿戴發(fā)電機(jī)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。曲良體團(tuán)隊(duì)101通過激光輔助對(duì)石墨烯纖維進(jìn)行區(qū)域選擇性還原，構(gòu)建具有特定形狀記憶的GO-rGO纖維(圖10c)。他們通過利用石墨烯和GO在不同濕度條件下的相異彎曲響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)8 (°) s-1的角度變化，具有形狀記憶的石墨烯纖維在單纖維步行機(jī)器人領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。同樣使用激光輔助對(duì)石墨烯纖維進(jìn)行精準(zhǔn)還原，利用高度取向的石墨烯纖維作為離子傳輸通道，從水分中收集能量，實(shí)現(xiàn)單個(gè)長(zhǎng)度小于1 mm且直徑為80 μm的單個(gè)光纖發(fā)生器單元能夠響應(yīng)濕度變化提供355 mV的電壓輸出，增加設(shè)備數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)1. 3 V電壓輸出。這樣的微型發(fā)電裝置可以集成到柔性紡織品上(圖10d)，有望呈現(xiàn)出優(yōu)異的信息存儲(chǔ)與表達(dá)能力102。

圖10 石墨烯纖維多種功能應(yīng)用：超輕導(dǎo)線33,85、儲(chǔ)能器件109,112、傳感器113和生物電極114Fig. 10 Various Graphene fibers applications: ultralight conductive cable 33,85, energy storage devices 109,112,sensors 113 and bioelectrodes 114.

4.2 能量存儲(chǔ)

石墨烯基柔性儲(chǔ)能器件受研究者的廣泛關(guān)注103-106，其中纖維狀儲(chǔ)能器件因?yàn)槠淙嵝?，透氣性以及集成性高等?yōu)點(diǎn)在可穿戴儲(chǔ)能器件領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景107。石墨烯纖維具有質(zhì)量輕，導(dǎo)電性好，高柔性的優(yōu)點(diǎn)，在纖維狀儲(chǔ)能器件領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景108。高超課題組通過同軸濕法在石墨烯纖維表面覆蓋一層羧甲基纖維素鈉膜，這樣的一層薄膜可以在隔絕電子傳導(dǎo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)離子傳輸。他們利用這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，組裝了纖維狀超級(jí)電容器109,110，表現(xiàn)出很好的柔性與集成性。纖維狀超級(jí)電容器可以編織成織物，器件比電容達(dá)到177 mF·cm-2，能量密度為384 μWh·cm-2(圖10e)。耿鳳霞課題111通過使用將鋰離子電池的活性材料直接添加到GO原液中，通過濕法紡制得到纖維狀的鋰離子電池負(fù)極，通過與LiMnO4組裝得到纖維狀鋰離子全電池，單個(gè)器件可以成功點(diǎn)亮2 V的LED燈，并保持點(diǎn)亮5 h以上。Kim課題組111使用濕法紡制石墨烯纖維通過與CNT復(fù)合組裝纖維狀鋰硫電池，得到的鋰硫電池其開路電壓為3.2 V并表現(xiàn)出很好的柔性，在反復(fù)彎折30次中，充放電曲線基本保持不變，首次放電容量為1255 mAh·g-1(圖10f)。

4.3 生理信息采集

石墨烯纖維因?yàn)檩p質(zhì)和優(yōu)異的電響應(yīng)以及生物相容性，在傳感和生物電極方面也有很好的應(yīng)用。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所李清文課題組113通過使用編程系統(tǒng)，控制噴絲頭在凝固浴中運(yùn)動(dòng)軌跡，制備得到結(jié)構(gòu)可控的GO纖維網(wǎng)絡(luò)，從而組裝可響應(yīng)外部機(jī)械刺激的多功能傳感器(圖10g)。北京大學(xué)段小潔等114利用濕法紡制的石墨烯纖維作用生物電極，在9.4 T的磁場(chǎng)中，具有高電荷注入能力和幾乎沒有MRI偽影，成功在帕金森病大鼠的丘腦底下核(STN)上裝有GF電極的DBS-fMRI顯示了沿基底神經(jīng)節(jié)-丘腦皮層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，石墨烯纖維可以為揭示各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的DBS治療機(jī)制提供探測(cè)幫助(圖10h，i)。

5 總結(jié)和展望

石墨烯纖維歷經(jīng)近10年的發(fā)展，已經(jīng)探索出多種制備工藝，但目前濕法紡絲仍是制備高性能石墨烯纖維的最主要途徑。通過調(diào)整紡絲原液，添加離子交聯(lián)，改進(jìn)牽伸工藝以及高溫?zé)徇€原等過程，現(xiàn)有石墨烯纖維拉伸強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到3.4 GPa，電導(dǎo)率已經(jīng)達(dá)到2.24 × 107S·m-1。并且在超輕導(dǎo)線，儲(chǔ)能器件，傳感以及生物電極方面都有廣闊的應(yīng)用前景。但相比于碳纖維和碳納米管纖維，石墨烯纖維的強(qiáng)度、電導(dǎo)率等基本特性以及制備工藝技術(shù)的發(fā)展成熟度，依然具有較大差距，仍需要石墨烯纖維領(lǐng)域的研究學(xué)者深入研究石墨烯纖維內(nèi)部的基礎(chǔ)科學(xué)問題，持續(xù)探索提升石墨烯纖維性能的技術(shù)手段。

從纖維的結(jié)構(gòu)分析，限制石墨烯纖維性能的因素主要分為三個(gè)方面：(1) GO片層的制備過程帶來不可避免的缺陷結(jié)構(gòu)，GO是現(xiàn)有濕法紡制石墨烯纖維的主要原料，但表面有大量的含氧官能團(tuán)及結(jié)構(gòu)缺陷，即使通過高溫還原及石墨化處理，GO片層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷仍然很難完全去除，將顯著影響石墨烯纖維的力學(xué)強(qiáng)度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能；(2)石墨烯纖維內(nèi)石墨烯片層的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，包括片層的取向、結(jié)晶、間隙等二級(jí)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有石墨烯纖維大多采用微米級(jí)尺寸石墨烯片層，這將導(dǎo)致最終石墨烯纖維內(nèi)部片層形成部分褶皺結(jié)構(gòu)，降低石墨烯片層取向度，從而影響纖維性能；(3)石墨烯纖維的密度較低，現(xiàn)有的石墨烯纖維仍低于碳纖維、石墨纖維以及碳納米管纖維，較低的堆疊密度決定了纖維內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，限制了石墨烯的本征優(yōu)異性能傳遞。

我們國家雖然在碳纖維領(lǐng)域的研究，起步落后于日本、美國等國家，但是我們石墨烯科學(xué)及技術(shù)相關(guān)研究處于世界前沿。隨著石墨烯材料以及纖維制備工藝的不斷優(yōu)化，石墨烯的高強(qiáng)高模、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等優(yōu)異特性，有望實(shí)現(xiàn)向宏觀石墨烯纖維傳遞。高性能石墨烯纖維將在國防軍工，航空航天等高精尖領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

對(duì)于智能纖維這一新興領(lǐng)域，除了功能纖維的開發(fā)以外，還需要從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)和封裝，到整套系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境以及后續(xù)的回收/處理等進(jìn)行全面的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。理想的智能纖維體系在材料的結(jié)構(gòu)和性能方面還存在一系列挑戰(zhàn)。包括：(1)功能纖維的結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性、可靠性，以及器件整體的安全性還存在諸多挑戰(zhàn)，需要建立纖維材料柔性狀態(tài)下的性能表征系統(tǒng)；(2)需要建立多尺度的立體結(jié)構(gòu)模型和分析方法。智能纖維器件結(jié)構(gòu)的尺度從納米、微米跨越到厘米甚至米，結(jié)構(gòu)從低維度到復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)。需要建立起智能纖維系統(tǒng)的可靠性理論及表征方法。智能纖維器件小型化之后，加工精度和實(shí)用的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高，相關(guān)的抗干擾技術(shù)和測(cè)量技術(shù)也需要響應(yīng)變革。