00背景介绍
石墨烯纤维是由石墨烯基元有序组装排列而成的新型碳质纤维材料。2011年，浙江大学高分子系高超教授团队首次提出氧化石墨烯液晶湿法纺丝策略，发明了石墨烯纤维。石墨烯纤维首创石墨制纤的全新路径，跳出石油制备碳纤维的传统路线，具有全链条自主知识产权。结构功能一体化的碳基纤维是未来的追求目标和发展方向。在碳质材料中，导热率和模量与材料的结晶度相关：结晶度越高，模量越高；晶区尺寸越大，导热率越高。传统碳纤维由高分子（聚丙烯腈）或中间相沥青经过高温热裂解融合而成，晶区尺寸较小，导热性能遇到瓶颈。例如，美国氰特公司在上世纪中后期开发的标号中间相沥青碳纤维（K1100）的导热率至今仍保持在1000 W/mK左右，难以进一步提升。以大尺寸石墨烯基元组装制备的石墨烯纤维，具有更完善的晶区结构，有望实现结构功能一体化。尽管以往报道的石墨烯纤维导热率可以达到1480 W/mK，但是其杨氏模量相较传统沥青基碳纤维仍有较大差距。
02成果掠影
近期，浙江大学高分子系高超、刘英军、许震老师和清华大学徐志平老师团队联合制备了高导热的石墨烯纤维。该文提出“复合流场湿法纺丝”方法，纺丝的同时，引入径向的旋转流场，使原本径向无序分布的氧化石墨烯基元有序化排列，形成了同心圆的液晶织构，经过干燥和高温石墨化后处理，大幅增大纤维中晶区的三维尺寸，同时实现了纤维的超高模量和超高导热性能，杨氏模量达901 GPa，导热率达1660 W/mK。同心圆结构成为实现石墨烯纤维高导热高模量的理想结构模型。同心圆结构模型作为模板成功应用于高导热高模量聚丙烯腈（PAN）/石墨烯复合碳纤维。该复合碳纤维的模量达663GPa，导热率达1254W/mK，远超传统聚丙烯腈基碳纤维（10-150W/mK）。为低成本制备高导热高模量碳纤维提供了新思路。相关研究成果以“Bidirectionally promoting assembly order for ultrastiff and highly thermally conductive graphene fibres”为题发表在《Nature Communications》。
03图文导读
图1.复合流场调控石墨烯纤维轴向和径向有序组装结构示意图。
图2. 复合流场调控液晶及凝胶纤维织构，包括无旋转流场的无规织构、中等转速下的同心圆织构及高转速下的螺旋线织构。
图3.理想石墨烯纤维的高度有序结构、致密度、结晶性能。
图4. 同心圆石墨烯结构模型应用于制备高模量高导热碳纤维。
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