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  碳纖維是一種含碳量在90%以上，具有高強度、高模量、輕質、化學穩定性等一系列優異性能的纖維材料，是現代工業和國防裝備不可或缺的戰略性材料。碳纖維主要由有機分子前驅體（如聚丙烯腈、瀝青、粘膠等）纖維經過低溫預氧化、高溫碳化及超高溫石墨化制備而成。碳纖維的后處理過程能耗極大，同時高溫碳化和石墨化過程也需消耗大量惰性保護氣體。據報道，高溫熱處理的能源和氣體消耗約占碳纖維整體成本的40%。因此，碳纖維的節能高效制備一直是基礎研究領域的重要科學問題。然而，有機分子熱裂解碳化的基本路線和原理決定了高溫后處理是傳統碳纖維無法避免的核心環節。

  石墨烯纖維是由單層石墨烯有序組裝排列而成的新型碳質纖維材料。2011年，浙江大學高分子系高超教授團隊首次提出氧化石墨烯液晶濕法紡絲策略，并結合化學還原方法，發明了石墨烯纖維。隨后十余年間，國內外研究團隊借鑒傳統碳纖維高溫后處理工藝，完美修復氧化石墨烯的原子級缺陷，在纖維力學和導電、導熱性能優化方面取得較大進展，基本驗證了石墨烯纖維的結構功能一體化潛力�？v觀石墨烯纖維的加工原理，其由氧化石墨烯經過脫除含氧官能團形成碳質纖維，理論上蘊含著一條較低溫條件下制備碳質纖維的新路線。然而，化學還原石墨烯纖維的力學性能受限，使得室溫制備高性能石墨烯纖維這一難題至今未能解答。

  經過近十五年的持續思考和探索，浙江大學高分子系高超教授團隊最新工作提出“分域剪切多流場”方法，在氧化石墨烯凝膠纖維中實現微纖亞單元的液晶織構，當纖維凝固干燥時，氧化石墨烯分子在每個微纖單元內限域折疊。區別于傳統氧化石墨烯分子在纖維結構中的無序折疊和堆積，微纖限域具有折疊細晶特點，大幅減少并減小了石墨烯間的微孔缺陷，形態由扁平粗孔變為針狀細孔。在25℃室溫催化還原下，限域折疊的石墨烯纖維表現出優異的拉伸強度（5.19GPa）和模量（529GPa），導熱率、導電率分別達到232W/mK和120S/cm，同時具有92%的碳含量，實現了室溫制備高性能石墨烯基碳纖維。

  2025年10月20日，相關成果以“High-performance graphene-based carbon fibres prepared at room temperature via domain folding”為題發表在《Nature Materials》。浙江大學專職研究員李鵬、博士生王子秋（已畢業）和蔡剛峰為論文共同第一作者。浙江大學許震長聘副教授、劉英軍研究員、清華大學徐志平教授和浙江大學高超教授為論文共同通訊作者。

工作亮點：

  （1）提出了“分域剪切多流場”的紡絲方法，實現多級微纖單元的氧化石墨烯液晶織構，從分子尺度控制了氧化石墨烯在纖維受限空間內的精確排列；通過調節分域剪切多流場的基本尺寸，實現了微纖單元液晶織構尺寸的設計和控制。

  （2）實現了氧化石墨烯二維分子在微纖亞單元中的可控限域折疊，大幅減少并減小了石墨烯間的微孔缺陷，形態由扁平粗孔變為針狀細孔，構建了氧化石墨烯的折疊行為—有序晶區尺寸—微孔缺陷的影響關系。

  （3）指出了室溫制備高性能石墨烯基碳纖維的新路線：與傳統有機前驅體經過高溫裂解碳化制備高性能碳纖維的路線不同，室溫催化還原下，限域折疊石墨烯纖維表現出高強度和高模量的特點，同時碳含量達到92%，成為一種新型室溫高性能碳纖維。

圖1 分域剪切多流場示意圖及氧化石墨烯的限域折疊。

  石墨烯纖維是由二維石墨烯基元組裝而成，其組裝原理為全新的二維分子折疊或堆積成纖。因此，石墨烯纖維中基元排列有序性除了軸向的高取向，還有基元在徑向折疊結構的控制。團隊以往工作已經提出多種策略實現纖維軸向的高取向排列，例如細旦化、塑化拉伸等。近期提出“復合流場濕法紡絲”的方法，實現纖維徑向的有序排列。然而，纖維徑向的折疊規律仍未知，其控制方法仍缺乏。本工作提出限域折疊的核心理念，采用“分域剪切多流場”的紡絲方法，實現多級微纖單元的氧化石墨烯液晶織構，從分子尺度控制了氧化石墨烯在纖維受限空間內的特征排列，進而實現了氧化石墨烯二維分子在微纖亞單元中的可控限域折疊。

圖2 石墨烯纖維折疊行為—有序晶區—微孔缺陷—力學性能的構效關系。

  本工作系統建立了限域折疊—有序晶區尺寸—微孔缺陷特征—力學性能的構效關系。發現了石墨烯纖維內的折疊誘導細晶特點，小晶區致密堆積可大幅減少并減小石墨烯間的微孔缺陷，形態由扁平粗孔變為針狀細孔。一方面，均勻分布的折疊細晶和針狀微孔缺陷提高了石墨烯纖維的應力分布均勻性；另一方面，微孔缺陷含量的減少和尺寸的下降降低了纖維發生災難性裂紋的可能性。

圖3 室溫高性能石墨烯基碳纖維的節能制備路線。

  提出了基于氧化石墨烯前驅體的室溫制備碳纖維的節能新路線。氧化石墨烯是一種表面含有含氧官能團的石墨烯衍生物，通過簡單化學還原可實現大部分含氧官能團的脫除，從而實現高含碳量的碳材料。本工作采用限域折疊理念，結合室溫催化還原技術，在室溫條件下制備了高性能的石墨烯基碳纖維。室溫制備高性能石墨烯基碳纖維代表了與傳統石油基前驅體經過高溫裂解碳化制備高性能碳纖維截然不同的路線。

  該工作基于團隊在石墨烯纖維領域長期積累的研究基礎，相關綜述見：Appl. Phys. Rev. 2023, 10, 011311, Chinese J. Polym. Sci. 2021, 39, 267, Adv. Mater. 2019, 32, 1902664. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1267。代表性研究成果包括首篇液晶濕法紡絲（Nat. Commun. 2011, 2, 571）、離子交聯和大尺寸基元改善片間作用（Adv. Mater. 2012, 25, 188）、細旦化提高纖維取向（Adv. Mater. 2016, 28, 6449）、塑化拉伸增大晶區尺寸（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2006584; Nat. Commun. 2020, 11, 2645）、氧化石墨烯纖維可逆融合與分裂（Science 2021, 372, 614）、復合流場雙向有序同心圓石墨烯纖維（Nat. Commun. 2024, 15, 409）等。團隊與清華大學徐志平教授等理論計算團隊通力協作（Sci. Adv. 2024, 372, 614; Matter 2020, 3, 230; Macromolecules 2020, 53, 10421等），也為該工作的石墨烯折疊模型奠定了基礎。該工作得到了國家自然科學基金委重大項目和青年基金、浙江省自然科學基金、山西浙大新材料與化工研究院項目經費、中央高�；究蒲袠I務費專項資金等經費的支持。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02384-7

  下載：論文原文。