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而石墨烯纖維（GFs）作為一種由二維石墨烯片組裝而成的纖維形式，具有高拉伸強(qiáng)度(130 GPa)、高模量(1100 GPa)和高導(dǎo)電性(108 Sm-1)等優(yōu)異的性能，有望成為高性能纖維的下一代平臺(tái)。多維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，如薄膜和纖維，可以將單層石墨烯的優(yōu)異性能賦予宏觀結(jié)構(gòu)。然而，石墨烯薄膜和纖維的力學(xué)性能和電學(xué)性能仍然不如單個(gè)石墨烯片。這主要是由于結(jié)構(gòu)缺陷，包括石墨微晶的不完美排列和石墨烯組件中存在的微孔。因此，控制這種結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)于實(shí)現(xiàn)多尺度石墨烯結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能至關(guān)重要。GF一般通過濕法紡絲高濃度氧化石墨烯(GO)溶液來制造。GFs的濕紡工藝通常是將GO摻雜溶液注入凝固浴，隨后干燥獲得固化的GO纖維（GOFs）。理論上，干燥的GO片材之間的摩擦?xí)璧K片材的緊密堆積，易于產(chǎn)生空隙。此外，當(dāng)GOF進(jìn)行化學(xué)和熱還原以形成GF時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氧氣、一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w分子，它們通常會(huì)在石墨烯之間留下額外的孔隙。目前，已有一些方法可以實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度高于1 GPa的高性能GF。一種方法是使用混合尺寸的GO片紡制 GOF，然后在2850 °C下處理纖維。較小的GO片有效地填充了空隙并消除了纖維中的孔隙。此外，還可以通過微流體系統(tǒng)物理壓平GF以最大限度地減少皺紋對(duì)微孔產(chǎn)生的影響，并在2500 °C下進(jìn)一步退火以提高纖維的結(jié)晶度。雖然GF的高溫退火對(duì)生長(zhǎng)石墨微晶有效，但出于能源消耗和生產(chǎn)成本角度的考量，GF的制備迫切需要一種替代策略來消除微尺度空隙并在相對(duì)較低的溫度下控制微晶的排列。
目前，研究人員已成功引入了可作為石墨烯片分子粘合劑的碳質(zhì)納米填料和聚合物，以及填充GF中空隙的碳預(yù)聚體，以實(shí)現(xiàn)高性能纖維。例如，各種納米填料，如單壁和多壁碳納米管、氣相生長(zhǎng)碳納米纖維、芳綸納米纖維、和聚合物粘合劑，如聚丙烯腈(PAN)、聚多巴胺和殼聚糖等。這些納米填料成功地將石墨烯片相互連接起來并填充了微孔。然而，納米填料的方法難以改善石墨烯片的排列取向來進(jìn)一步提高GFs的機(jī)械強(qiáng)度。因此，在混合GF的制造過程中，對(duì)石墨烯片的排列取向進(jìn)行控制，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
鑒于此，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)Tae Hee Han教授團(tuán)隊(duì)采用聚丙烯腈(PAN)作為石墨烯片的粘合劑，在800℃熱退火過程中施加機(jī)械張力，控制石墨烯片的排列取向，使所得GF纖維顯示出優(yōu)異的力學(xué)性能，具有1.10 GPa的拉伸強(qiáng)度和7.0 MJ m-3的韌性。該方法無需在極高溫度下進(jìn)行石墨化。這種控制排列取向的策略有望應(yīng)用于制備高強(qiáng)納米組裝纖維以及其他納米材料。該研究以題為“Microstructure-Controlled Polyacrylonitrile/Graphene Fibers over 1 Gigapascal Strength”的論文發(fā)表在最新一期《ACS Nano》上。
文章來源：高分子科學(xué)前沿
