浙江大學高超教授團隊和合作者針對石墨烯和石墨烯纖維材料，以實際應用為導向，進行了長期積累研究，取得了豐富的系列研究成果。主要包括：
石墨烯領(lǐng)域研究（Adv. Fiber Mater. 2024, 6 (1), 68-105；Appl. Phys. Rev. 2023, 10, 011311；ACSNano 2022, 16, 14703；Acc. Mater. Res. 2020, 1, 175；Adv. Mater. 2020, 32, 1902664；Adv. Mater. 2017, 29, 1606794；Chem. Rev. 2015, 115(15), 7046）；
高強高導熱石墨烯纖維（Nat. Commun. 2024, 15, 409; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2006584）；
高導熱石墨烯纖維絲束的規(guī)?；苽?/strong>（Carbon 2024, 221, 118947）；
高性能石墨烯基復合纖維（Nano Lett. 2024, 24(14), 4256; Adv. Mater. 2022, 34, 2201867）；
基于剪切印刷術(shù)的高導熱石墨烯復合材料（Adv. Mater. 2023, 35, 2300077）；
面向極端熱管理的高導熱石墨質(zhì)膜（Nano-Micro Lett. 2024, 16, 58; Adv. Funct. Mater. 2024, 2400110；Carbon 2020，167, 249）；
石墨烯纖維基熱界面材料（DOI: 10.1021/acsnano.4c04349）
浙江大學高超教授課題組系統(tǒng)闡述了多功能納米復合纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢。作者重點介紹了高分子基納米復合纖維的六大功能：高力學強度、電磁屏蔽與阻燃、導電導熱性、遠紅外/負離子發(fā)生與發(fā)電、能源儲存、濕度及化學傳感。探討了各功能的設(shè)計原則、制備方法、內(nèi)在機理和性能對比。總結(jié)了不同功能纖維的設(shè)計思路、制備方法和應用場景，提出了現(xiàn)有納米復合纖維面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。
綜述以“A Review of Multifunctional Nanocomposite Fibers: Design, Preparation and Applications”為題發(fā)表于《Advanced Fiber Materials》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1007/s42765-023-00340-1
氧化石墨烯：二維膠體分子、流體物理學和宏觀組裝材料
浙江大學高超團隊系統(tǒng)總結(jié)了二維GO膠體分子在科學探究、技術(shù)開發(fā)和工業(yè)轉(zhuǎn)化方面的系列進展，重點介紹了GO膠體分子獨特的流體物理學性質(zhì)。闡述了高性能石墨烯基宏觀材料（如一維石墨烯纖維，二維石墨烯薄膜和三維石墨烯泡沫）的塑化加工原理和相關(guān)研究進展，全面歸納了提高宏觀石墨烯組裝體力學、熱學和電學性能的指導思想和優(yōu)化策略。最后，基于團隊近十余年來在石墨烯宏觀組裝體領(lǐng)域的深耕，提出了未來關(guān)于二維GO膠體分子和石墨烯宏觀組裝體的研究展望和工業(yè)化藍圖。
研究成果以“A review on graphene oxide: 2D colloidal molecule, fluid physics and macroscopic materials”為題發(fā)表于《Applied Physical Review》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0128899
雙曲面石墨烯框架突破復合材料導電導熱功能增強效率極限
浙江大學許震、龐凱博士提出了雙曲面結(jié)構(gòu)石墨烯連續(xù)網(wǎng)絡(luò)作為幾何最優(yōu)的功能填料，為電子和聲子的高效傳輸提供了通道，拓寬了二維薄片的結(jié)構(gòu)設(shè)計空間。在最低填料含量下展現(xiàn)出最優(yōu)的導電、導熱性能，當體積添加量僅為1.6%時，電導率達到 13911 S/m，熱導率達到 31.6 W/(mK)。柔性雙曲面石墨烯復合材料可通過簡單易行的真空灌注方式實現(xiàn)大規(guī)模制備，在電磁屏蔽、傳感及熱管理等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異性能及巨大應用潛力。
研究成果以“Hyperbolic Graphene Framework with Optimum Efficiency for Conductive Composites”為題發(fā)表于《ACS Nano》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05414
浙江大學高超教授、許震研究員團隊探索了二維大分子的構(gòu)象原理，并在氧化石墨烯模型中建立了宏觀組裝材料的系統(tǒng)程序。系統(tǒng)總結(jié)了團隊關(guān)于氧化石墨烯 2D大分子的單分子構(gòu)象行為、液晶凝聚態(tài)以及宏觀材料的工作進展。以單層GO為實驗模型，總結(jié)了構(gòu)象以及構(gòu)象轉(zhuǎn)變的基本原理與規(guī)律，展望了構(gòu)象精確設(shè)計與控制的發(fā)展方向；提出了一種新的構(gòu)象工程方法學，為典型二維石墨烯的宏觀材料的“加工—結(jié)構(gòu)—性能”提供了系統(tǒng)的思路，用以指導2D聚合物宏觀材料的結(jié)構(gòu)精確設(shè)計與控制。
研究成果以“Conformation Engineering of Two-Dimensional Macromolecules: A Case Study with Graphene Oxide”為題發(fā)表于《Accounts of Materials Research》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1021/accountsmr.0c00027
浙江大學高超團隊在綜述中從四個角度呈現(xiàn)了石墨烯纖維的特點：制備技術(shù)、形態(tài)控制、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)功能一體化。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，石墨烯纖維的機械強度已經(jīng)超過2 GPa，模量達到400 GPa，導電率達到一百萬西門子每米的級別，而導熱系數(shù)也超過了1500 W m-1K-1，在某些領(lǐng)域超越傳統(tǒng)的碳質(zhì)纖維。在汽車、輪船、人造衛(wèi)星等軍用領(lǐng)域，所有需要輕質(zhì)、高強和導熱支撐體的零件都可以用到石墨烯纖維；在民用領(lǐng)域，依托于良好的導電性能，機械強度和柔性，石墨烯纖維可以做為輕質(zhì)導線在極寬的溫度范圍內(nèi)工作；另外，石墨烯纖維可以制備成柔性織物穿戴在人體表面，作為纖維狀電池或者電容器的電極實現(xiàn)儲能器件的可穿戴。
研究成果以“A Review on Graphene Fibers：Expectations, Advances, and Prospects”為題發(fā)表于《Advanced Materials》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201902664
浙江大學高超教授課題組討論了二維膠體、液晶與宏觀纖維關(guān)聯(lián)領(lǐng)域的研究。作者首先追溯了二維膠體的歷史，探討了在液晶研究背景中二維納米材料纖維的概念，詳細闡述了制備的動機、原理和可能的策略。然后文章重點關(guān)注了石墨烯纖維的出現(xiàn)、發(fā)展和應用。此外，二維納米纖維的最新進展以及未來發(fā)展趨勢也被概括描述。
研究成果以“Graphene and Other 2D Colloids: Liquid Crystals and Macroscopic Fibers”為題發(fā)表于《Advanced Materials》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201606794
納米碳的超結(jié)構(gòu)組裝：富勒烯、納米管和石墨烯
浙江大學高超教授課題組討論了二維膠體、液晶與宏觀纖維關(guān)聯(lián)領(lǐng)域的研究。作者首先追溯了二維膠體的歷史，探討了在液晶研究背景中二維納米材料纖維的概念，詳細闡述了制備的動機、原理和可能的策略。然后文章重點關(guān)注了石墨烯纖維的出現(xiàn)、發(fā)展和應用。此外，二維納米纖維的最新進展以及未來發(fā)展趨勢也被概括描述。
研究成果以“Superstructured Assembly of Nanocarbons: Fullerenes, Nanotubes, and Graphene”為題發(fā)表于《Chemical Reviews》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00102
浙江大學劉英軍研究員、許震研究員、清華大學徐志平教授和浙江大學高超教授團隊合作，提出“復合流場濕法紡絲”方法，紡絲的同時，引入徑向的旋轉(zhuǎn)流場形成同心圓的液晶織構(gòu)，組裝有序性、致密度和晶區(qū)尺寸皆有顯著提升，同時實現(xiàn)了纖維的超高導熱和超高模量性能，導熱率達1660 W/mK，楊氏模量達901GPa。應用于高導熱高模量聚丙烯腈（PAN）/石墨烯復合碳纖維，其模量達663GPa，導熱率達1254 W/mK，遠超傳統(tǒng)聚丙烯腈基碳纖維（10-150 W/mK）。
相關(guān)成果以“Bidirectionally promoting assembly order for ultrastiff and highly thermally conductive graphene fibres”為題發(fā)表于《Nature Communications》。
鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44692-7
浙江大學高超、許震團隊與清華大學馬維剛教授團隊（共同通訊）合作，利用先前建立的溶劑插層塑化的效應對初生的氧化石墨烯纖維進行二次塑化拉伸，大幅度消除石墨烯原絲中的無規(guī)褶皺結(jié)構(gòu)。經(jīng)過后續(xù)高溫熱處理，得到高取向度（92%）和大尺寸石墨微晶（174.3 nm）的石墨烯纖維，遠大于傳統(tǒng)碳纖維內(nèi)部微晶尺寸；使得石墨烯纖維兼具高強度（3.4 GPa）與優(yōu)異的電學（1.19×106 S/m）、熱學傳導性（1480 W/mK），為推進結(jié)構(gòu)功能一體化碳質(zhì)纖維提供了新思路。這種塑化紡絲的工藝可以實現(xiàn)連續(xù)制備，有利于石墨烯纖維的工程化。
研究成果以“Highly Crystalline Graphene Fibers with Superior Strength and Conductivities by Plasticization Spinning”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202006584
浙江大學高超教授課題組報告了具有高強度和優(yōu)異導熱性的石墨烯纖維長絲的大規(guī)模工業(yè)制備策略。在可擴展的濕法紡絲過程中，作者引入了分步溶劑插層塑性拉伸技術(shù)，以提高氧化石墨烯前驅(qū)體纖維絲的均勻性、密度和結(jié)構(gòu)順序?；瘜W還原和高溫石墨化還原了石墨烯原子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了長絲的大石墨晶體尺寸。石墨烯纖維絲具有良好的綜合性能，包括抗拉強度1.4 GPa、密度1.93 g/cm3、導電率 4.1×105 S/m 和導熱率 1204 W/mK。
研究成果以“Large-scale preparation of thermally conductive graphene fiber filaments”為題發(fā)表于《Carbon》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118947
層間纏結(jié)調(diào)控制備高性能石墨烯基復合纖維
浙江大學高分子系許震研究員（共同通訊），劉英軍研究員（共同通訊），西安交通大學助理教授陳炎（共同通訊）合作提出對石墨烯基仿貝殼材料層間纏結(jié)調(diào)控的兩個趨勢。第一種：引入氫鍵加強纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，獲得材料強度和韌性的同時提升，制得石墨烯基復合纖維兼具1.58 GPa的高強度和52 MJ/m3的高韌性。第二種：同時引入氫鍵和金屬離子鍵，加強纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，獲得高強高模仿生復合材料，石墨烯基復合纖維最終達到2.3 GPa的高強度和253 GPa的高模量，再一次打破了石墨烯基復合纖維的性能極限。通過實驗和分子動力學模擬分析了纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)在調(diào)控下的微觀作用機制，為將纏結(jié)增強機制推廣應用到其他由界面相互作用主導的納米復合材料做了鋪墊。
相關(guān)成果以“High Performance Nacre Fibers by Engineering Interfacial Entanglement”為題發(fā)表于《Nano Letters》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00581
浙江大學高超教授（共同通訊）、許震研究員（共同通訊）、劉英軍副研究員（共同通訊）團隊和上海交通大學國鳳林教授團隊（共同通訊）合作提出了一種創(chuàng)新的“二維拓撲晶種石墨化”策略，取得了高導熱石墨烯復合碳纖維的新突破。通過實驗和分子動力學模擬共同揭示了二維拓撲晶種石墨化的分子機理。該石墨烯復合碳纖維的導熱率可達 850 W/mK（遠超傳統(tǒng)聚丙烯腈基碳纖維的 32 W/mK），達到了特種瀝青基碳纖維水平。其比導熱率為 450 mW?m2/kg?K，超過了眾多纖維材料（金屬纖維和傳統(tǒng)碳纖維）。發(fā)展了低成本高導熱纖維的制備技術(shù)，可促進未來功能纖維在熱管理和柔性儲能等領(lǐng)域應用。
研究成果以“Two-dimensional Topology-Seeded Graphitization for Highly Thermally Conductive Carbon Fibers”為題發(fā)表于《Advanced Materials》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202201867
液晶剪切智造術(shù)大面積制備豎直排列高導熱材料
浙江大學高超教授、劉英軍研究員、劉森坪博士團隊提出了一種創(chuàng)新的“剪切智造術(shù)”策略，通過程序化控制的微絲運動在液晶中引發(fā)微剪切流場，微剪切流場誘導片層垂直取向，實現(xiàn)了大片徑高取向氧化石墨液晶的制備?；诩羟兄窃煨g(shù)制備的大尺寸氧化石墨液晶具有高達 0.82的取向度和慢松弛特征，展現(xiàn)出規(guī)模制備優(yōu)勢?；诟呷∠蛞壕е苽涞氖嚵袨榫酆衔锘|(zhì)提供了高效聲子傳輸通道，極大降低了聲子散射并弱化片層/聚合物界面熱阻。石墨陣列基熱界面材料展現(xiàn)出94 W m-1 K-1的導熱率，超過金屬熱界面材料-銦(81 W m-1 K-1)15%。
研究成果以“Vertical Array of Graphite Oxide Liquid Crystal by Microwire Shearing for Highly Thermally Conductive Composites”為題發(fā)表于《Advanced Materials》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300077
浙江大學高超教授、劉英軍研究員、許震長聘副教授團隊首次報道了GF在循環(huán)液氮沖擊過程中出現(xiàn)的異常表面鼓泡新現(xiàn)象，并揭示了其結(jié)構(gòu)破壞機制，即氮氣分子在GF的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙中遵循“滲透-擴散-變形”行為模式?；跇O端液氮條件下的表面鼓泡失效機制，提出了一種通用的無縫異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，制備了高性能納米厚度銅層增強的石墨質(zhì)導熱膜。所得的納米銅層增強石墨質(zhì)膜具有高導熱和高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的特點，在150次77 K- 300 K冷熱沖擊下具有高達1088 W/mK的導熱率。
研究成果以“Highly Thermally Conductive and Structurally Ultra-stable Graphitic Films with Seamless Heterointerfaces for Extreme Thermal Management”為題發(fā)表于《Nano-Micro Letters》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01277-1
面向極端熱管理的雙向高導熱且結(jié)構(gòu)超穩(wěn)定的石墨烯基厚膜
浙江大學高超、劉英軍、許震團隊提出了一種無縫鍵合組裝策略，采用輕質(zhì)高導熱的石墨烯薄膜和三元金屬納米層作為組裝單元，通過界面組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效改善了石墨烯厚膜的界面結(jié)構(gòu)，獲得了結(jié)構(gòu)超穩(wěn)定且雙向高導熱的石墨烯厚膜。當厚度為250 μm時，其面內(nèi)和面外熱導率分別高達925.75 W/(mK)和7.03 W/(mK)。此外，在77 K至573 K的數(shù)百次高/低溫沖擊后，該石墨烯厚膜的結(jié)構(gòu)和導熱性能也表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性，確保了其在極端熱管理應用中的環(huán)境適應性。
相關(guān)成果以“Bidirectionally High-Thermally Conductive and Environmentally Adaptive Graphene Thick Films Enabled by Seamless Bonding Assembly for Extreme Thermal Management”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400110
浙江大學高超教授團隊提出一種基于氧化石墨烯自融合效應的間接粘接的方法來實現(xiàn)高熱通量石墨烯厚膜的制備。通過粘接不同層數(shù)的氧化石墨烯膜，經(jīng)過干燥、熱壓、石墨化、冷壓之后，得到了不同厚度且無界面層離的石墨烯膜。該方法制備的石墨烯膜最厚的24層石墨烯膜（厚度約為200 μm）仍然保持有1220 W m-1 K-1的熱導率和 6.91×105 S m-1的電導率。證明了制備的石墨烯厚膜具有高熱通量。在文中展示的傳熱模型中24層石墨烯膜的熱通量為 0.2002 J s-1, 兩倍于具有相同厚度的銅箔(熱通量為0.0955 J s-1)，也明顯高于具有較小厚度的石墨烯膜。
研究成果以“Ultrathick and highly thermally conductive graphene films by self-fusion strategy”為題發(fā)表于《Carbon》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.051
浙江大學劉英軍研究員、許震研究員、高超教授團隊，首次采用高導熱柔性的石墨烯纖維作為導熱填料，并創(chuàng)造性地提出了一種機電雙場協(xié)同取向工程策略。石墨烯纖維（GF）具有高達約1200 W/mK 的超高導熱率和出色的柔韌性，在雙場協(xié)同取向工程策略下，獲得了兼具高垂直取向度（0.88）和優(yōu)異陣列密度（33.5 mg cm2）的GF陣列。即使在17wt %填料含量下，該TIM表現(xiàn)出金屬級的導熱性能（82.4 Wm-1K-1）與優(yōu)異的彈性順應性，甚至可與常用的銦箔相媲美。得益于GF的低剛度，GF基TIM的壓縮模量低至0.57MPa，壓縮循環(huán)后的回彈率高達 95%，接觸熱阻低至 7.4K mm2/W。
研究成果以“Scalable Compliant Graphene Fiber-Based Thermal Interface Material with Metal-Level Thermal Conductivity via Dual-Field Synergistic Alignment Engineering”為題發(fā)表于《ACS Nano》期刊。
鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04349
信息來源：Carbontech
