图 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

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52090030）等资助下，浙江大学高超教授团队和清华大学徐志平教授团队合作，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。相关成果以“双取向纺丝法制备高模量高导热石墨烯纤维（Bidirectionally promoting assembly order for ultrastiff and highly thermally conductive graphene fibres）”为题，于2024年1月9日在线发表在《自然•通讯》（Nature Communications）。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44692-7。

　　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。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。

　　本工作采用“复合流场湿法纺丝”的方法，向管道流动中引入旋转剪切：旋转剪切流场用于控制纤维径向方向的基元有序排列，管道剪切流场以及塑化拉伸后处理实现纤维轴向方向的高取向排列，制备了同心圆织构和螺旋线织构的凝胶纤维。同心圆液晶织构制备的石墨烯纤维在轴向和径向均具有改善的石墨烯排列有序性，因此，其三维晶区尺寸均得到提升，尤其是晶体厚度Lc和沿径向方向的晶体长度La⊥分别提升235%和74%。为了验证同心圆石墨烯结构在制备高模量高导热碳基纤维的普适性，向同心圆石墨烯框架中引入聚丙烯腈分子，石墨烯诱导聚丙烯腈分子亦形成了高度结晶的石墨质结构，制备了低成本的高导热高模量碳纤维。

　　该研究成果，以大尺寸石墨烯基元组装制备的石墨烯纤维为基础，向结构功能一体化石墨烯基碳纤维目标迈进了一步。