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石墨烯纤维的性能、应用

发布时间:2022-07-18 18:17:52 作者:华体会平台链接 来源:华体会官网注册


  2011年,石墨烯纤维首次被报道,其拉伸强度仅为140 MPa,杨氏模量为7.7 GPa。随后,研究者通过调控石墨烯尺寸、片层规整性、界面相互作用、取向度等参数,将石墨烯纤维的拉伸强度提升至2200 MPa,杨氏模量达到400 GPa。从理论上讲,石墨烯纤维应具有比碳纤维更优异的机械性能。因此,进一步优化制备工艺、提高片层取向度、增强片层作用力、降低结构缺陷、提高晶区质量等,有望制备具有更优异机械性能的石墨烯纤维。

  石墨烯具有超高的电子迁移率和载流能力,组装而成的石墨烯纤维有望延续石墨烯微观尺度的优异电学性能。通常,石墨烯纤维的导电性具有各向异性,即沿纤维轴向的电导率高于沿纤维径向的电导率。选用大尺寸GO、提高取向度、借助高温热还原过程、引入其他组分等策略,有望显著提高石墨烯纤维的电学性能。

  石墨烯纤维的热导率一般显著低于单层石墨烯的热导率。目前,研究者通过基元材料的优化、制备过程的调控以及采用高温热还原过程,得到石墨烯纤维的热导率已经超过碳纤维和碳纳米管纤维的热导率。而进一步优化石墨烯纤维的制备和处理过程、修复石墨烯的结构缺陷、提高石墨烯片层晶区尺寸和取向度等,有望获得更高热导率的石墨烯纤维。随着石墨烯片层取向度逐渐提高,纤维的热导率随之增大,其热导率最高可达1575 W·m-1·K-1,超过沥青基碳纤维和碳纳米管纤维的热导率(600-1000 W·m-1·K-1)。得益于石墨烯微观尺度的优异性质,石墨烯纤维展现出优异的机械、电学、热学等性能。目前,石墨烯纤维的电学和热学性能已超过碳纤维的相应性能,但在拉伸强度和杨氏模量方面仍稍逊色。

  石墨烯纤维的应用领域,主要是结构功能一体化的场景。在军用领域,比如汽车、轮船、人造卫星等,所有需要轻质、高强和导热支撑体的零件都可以用到石墨烯纤维。在民用领域,依托于良好的导电性能,机械强度和柔性,石墨烯纤维可以做为轻质导线在极宽的温度范围内工作;另外,石墨烯纤维可以制备成柔性织物穿戴在人体表面,作为纤维状电池或者电容器的电极实现储能器件的可穿戴,可以利用电热转换实现医疗保健和电磁屏蔽,也可以开发石墨烯纤维的光电性能实现远距离的信号传输。

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