浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)和合作者針對(duì)石墨烯和石墨烯纖維材料，以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，進(jìn)行了長(zhǎng)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(qiáng)高導(dǎo)熱石墨烯纖維（Nat. Commun. 2024, 15, 409; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2006584）；
高導(dǎo)熱石墨烯纖維絲束的規(guī)模化制備（Carbon 2024, 221, 118947）；
高性能石墨烯基復(fù)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(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料（Adv. Mater. 2023, 35, 2300077）；
面向極端熱管理的高導(dǎo)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）
多功能納米復(fù)合纖維綜述：“組合拳”打出大用途！
浙江大學(xué)高超教授課題組系統(tǒng)闡述了多功能納米復(fù)合纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)。作者重點(diǎn)介紹了高分子基納米復(fù)合纖維的六大功能：高力學(xué)強(qiáng)度、電磁屏蔽與阻燃、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、遠(yuǎn)紅外/負(fù)離子發(fā)生與發(fā)電、能源儲(chǔ)存、濕度及化學(xué)傳感。探討了各功能的設(shè)計(jì)原則、制備方法、內(nèi)在機(jī)理和性能對(duì)比。總結(jié)了不同功能纖維的設(shè)計(jì)思路、制備方法和應(yīng)用場(chǎng)景，提出了現(xiàn)有納米復(fù)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(xué)和宏觀組裝材料
浙江大學(xué)高超團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)總結(jié)了二維GO膠體分子在科學(xué)探究、技術(shù)開發(fā)和工業(yè)轉(zhuǎn)化方面的系列進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了GO膠體分子獨(dú)特的流體物理學(xué)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(jìn)展，全面歸納了提高宏觀石墨烯組裝體力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能的指導(dǎo)思想和優(yōu)化策略。最后，基于團(tuán)隊(duì)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(lán)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(fù)合材料導(dǎo)電導(dǎo)熱功能增強(qiáng)效率極限
浙江大學(xué)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(jì)空間。在最低填料含量下展現(xiàn)出最優(yōu)的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，當(dāng)體積添加量?jī)H為1.6%時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到 13911 S/m，熱導(dǎo)率達(dá)到 31.6 W/(mK)。柔性雙曲面石墨烯復(fù)合材料可通過簡(jiǎn)單易行的真空灌注方式實(shí)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(yīng)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(xué)高超教授、許震研究員團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(jìn)展。以單層GO為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停偨Y(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(jì)與控制的發(fā)展方向；提出了一種新的構(gòu)象工程方法學(xué)，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(dǎo)2D聚合物宏觀材料的結(jié)構(gòu)精確設(shè)計(jì)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(xué)高超團(tuán)隊(duì)在綜述中從四個(gè)角度呈現(xiàn)了石墨烯纖維的特點(diǎn)：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(jī)械強(qiáng)度已經(jīng)超過2 GPa，模量達(dá)到400 GPa，導(dǎo)電率達(dá)到一百萬西門子每米的級(jí)別，而導(dǎo)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(qiáng)和導(dǎo)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(dǎo)電性能，機(jī)械強(qiáng)度和柔性，石墨烯纖維可以做為輕質(zhì)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(xué)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(xì)闡述了制備的動(dòng)機(jī)、原理和可能的策略。然后文章重點(diǎn)關(guān)注了石墨烯纖維的出現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用。此外，二維納米纖維的最新進(jìn)展以及未來發(fā)展趨勢(shì)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(xué)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(xì)闡述了制備的動(dòng)機(jī)、原理和可能的策略。然后文章重點(diǎn)關(guān)注了石墨烯纖維的出現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用。此外，二維納米纖維的最新進(jìn)展以及未來發(fā)展趨勢(shì)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(xué)劉英軍研究員、許震研究員、清華大學(xué)徐志平教授和浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)合作，提出“復(fù)合流場(chǎng)濕法紡絲”方法，紡絲的同時(shí)，引入徑向的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)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(shí)實(shí)現(xiàn)了纖維的超高導(dǎo)熱和超高模量性能，導(dǎo)熱率達(dá)1660 W/mK，楊氏模量達(dá)901GPa。應(yīng)用于高導(dǎo)熱高模量聚丙烯腈（PAN）/石墨烯復(fù)合碳纖維，其模量達(dá)663GPa，導(dǎo)熱率達(dá)1254 W/mK，遠(yuǎn)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(xué)高超、許震團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)馬維剛教授團(tuán)隊(duì)（共同通訊）合作，利用先前建立的溶劑插層塑化的效應(yīng)對(duì)初生的氧化石墨烯纖維進(jìn)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?zé)崽幚恚玫礁呷∠蚨龋?2%）和大尺寸石墨微晶（174.3 nm）的石墨烯纖維，遠(yuǎn)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(qiáng)度（3.4 GPa）與優(yōu)異的電學(xué)（1.19×106 S/m）、熱學(xué)傳導(dǎo)性（1480 W/mK），為推進(jìn)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(shí)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
大規(guī)模制備高導(dǎo)熱石墨烯纖維長(zhǎng)絲
浙江大學(xué)高超教授課題組報(bào)告了具有高強(qiáng)度和優(yōu)異導(dǎo)熱性的石墨烯纖維長(zhǎng)絲的大規(guī)模工業(yè)制備策略。在可擴(kuò)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(xué)還原和高溫石墨化還原了石墨烯原子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)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(qiáng)度1.4 GPa、密度1.93 g/cm3、導(dǎo)電率 4.1×105 S/m 和導(dǎo)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(fù)合纖維
浙江大學(xué)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(xué)助理教授陳炎（共同通訊）合作提出對(duì)石墨烯基仿貝殼材料層間纏結(jié)調(diào)控的兩個(gè)趨勢(shì)。第一種：引入氫鍵加強(qiáng)纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，獲得材料強(qiáng)度和韌性的同時(shí)提升，制得石墨烯基復(fù)合纖維兼具1.58 GPa的高強(qiáng)度和52 MJ/m3的高韌性。第二種：同時(shí)引入氫鍵和金屬離子鍵，加強(qiáng)纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，獲得高強(qiáng)高模仿生復(fù)合材料，石墨烯基復(fù)合纖維最終達(dá)到2.3 GPa的高強(qiáng)度和253 GPa的高模量，再一次打破了石墨烯基復(fù)合纖維的性能極限。通過實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬分析了纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)在調(diào)控下的微觀作用機(jī)制，為將纏結(jié)增強(qiáng)機(jī)制推廣應(yīng)用到其他由界面相互作用主導(dǎo)的納米復(fù)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(xué)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(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)國鳳林教授團(tuán)隊(duì)（共同通訊）合作提出了一種創(chuàng)新的“二維拓?fù)渚ХN石墨化”策略，取得了高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合碳纖維的新突破。通過實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬共同揭示了二維拓?fù)渚ХN石墨化的分子機(jī)理。該石墨烯復(fù)合碳纖維的導(dǎo)熱率可達(dá) 850 W/mK（遠(yuǎn)超傳統(tǒng)聚丙烯腈基碳纖維的 32 W/mK），達(dá)到了特種瀝青基碳纖維水平。其比導(dǎo)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(dǎo)熱纖維的制備技術(shù)，可促進(jìn)未來功能纖維在熱管理和柔性儲(chǔ)能等領(lǐng)域應(yīng)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(dǎo)熱材料
浙江大學(xué)高超教授、劉英軍研究員、劉森坪博士團(tuán)隊(duì)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(yùn)動(dòng)在液晶中引發(fā)微剪切流場(chǎng)，微剪切流場(chǎng)誘導(dǎo)片層垂直取向，實(shí)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(dá) 0.82的取向度和慢松弛特征，展現(xiàn)出規(guī)模制備優(yōu)勢(shì)?；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(dǎo)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
面向極端熱管理的高導(dǎo)熱石墨質(zhì)膜
浙江大學(xué)高超教授、劉英軍研究員、許震長(zhǎng)聘副教授團(tuán)隊(duì)首次報(bào)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(jī)制，即氮?dú)夥肿釉贕F的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙中遵循“滲透-擴(kuò)散-變形”行為模式?；跇O端液氮條件下的表面鼓泡失效機(jī)制，提出了一種通用的無縫異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，制備了高性能納米厚度銅層增強(qiáng)的石墨質(zhì)導(dǎo)熱膜。所得的納米銅層增強(qiáng)石墨質(zhì)膜具有高導(dǎo)熱和高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的特點(diǎn)，在150次77 K- 300 K冷熱沖擊下具有高達(dá)1088 W/mK的導(dǎo)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(dǎo)熱且結(jié)構(gòu)超穩(wěn)定的石墨烯基厚膜
浙江大學(xué)高超、劉英軍、許震團(tuán)隊(duì)提出了一種無縫鍵合組裝策略，采用輕質(zhì)高導(dǎo)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(jì)，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(dǎo)熱的石墨烯厚膜。當(dāng)厚度為250 μm時(shí)，其面內(nèi)和面外熱導(dǎo)率分別高達(dá)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(dǎo)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(yīng)用中的環(huán)境適應(yīng)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
基于自融合效應(yīng)的高熱通量石墨烯膜的制備
浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)提出一種基于氧化石墨烯自融合效應(yīng)的間接粘接的方法來實(shí)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(dǎo)率和 6.91×105 S m-1的電導(dǎo)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
一種具有柔性金屬級(jí)導(dǎo)熱的石墨烯纖維基熱界面材料
浙江大學(xué)劉英軍研究員、許震研究員、高超教授團(tuán)隊(duì)，首次采用高導(dǎo)熱柔性的石墨烯纖維作為導(dǎo)熱填料，并創(chuàng)造性地提出了一種機(jī)電雙場(chǎng)協(xié)同取向工程策略。石墨烯纖維（GF）具有高達(dá)約1200 W/mK 的超高導(dǎo)熱率和出色的柔韌性，在雙場(chǎng)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(jí)的導(dǎo)熱性能（82.4 Wm-1K-1）與優(yōu)異的彈性順應(yīng)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(dá) 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
