劉忠范院士團隊發(fā)表石墨烯石英纖維*新研究進展

石英纖維，憑借其輕質(zhì)高強、化學性質(zhì)穩(wěn)定的特點廣泛應用于各種結(jié)構(gòu)增強材料。將石英玻璃纖維金屬化或與其他導電材料復合可提升纖維導電、導熱特性，進而拓展石英纖維在柔性傳感、高功率散熱、電磁屏蔽等諸多領(lǐng)域的應用。然而，纖維表面金屬化的過程會導致纖維柔性降低和嚴重的金屬污染問題。因此，開發(fā)一種可批量化制備柔性、高導電性石英纖維的新方法是本領(lǐng)域亟待解決的問題之一。

*近，北京大學、北京石墨烯研究院劉忠范院士團隊，將石墨烯與石英纖維相融合，提出了一種批量化制備石墨烯石英纖維的強制流化學氣相沉積生長方法。獲得了兼顧石墨烯優(yōu)異導電性和石英纖維高機械性能的石墨烯石英纖維，實現(xiàn)了易燃有機氣體的高靈敏度實時在線監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，研制了基于石墨烯石英纖維的面電阻均勻可調(diào)的纖維織物，成功實現(xiàn)了接近1000 °C高溫的工業(yè)電加熱器件構(gòu)筑。相關(guān)成果以“Massive Growth of Graphene Quartz Fiber as a Multifunctional Electrode”為題發(fā)表在國際知名期刊ACS Nano（2020, 14, doi: 10.1021/acsnano.0c01298）上。本研究工作中，通過內(nèi)部纏繞有石英纖維的同軸套管構(gòu)造限域空間，實現(xiàn)了基于強制流的低壓化學氣相沉積（Forced-flow CVD）生長條件。通過反應壓強和體系中碳氫比的控制，顯著增加了碳物種碰撞、反應的機率，在石英纖維表面實現(xiàn)了1-2層石墨烯的均勻包覆（圖1），*終研制出可批量化生產(chǎn)的石墨烯石英纖維。

圖 1 石墨烯玻璃纖維的強制流化學氣相沉積法制備

在應用研究方面，利用柔性導電的石墨烯石英纖維制備了有機氣體仿生傳感器，裝配有該傳感器的機器小車表現(xiàn)出高的靈敏度、較快的響應時間（<0.5s）和高循環(huán)穩(wěn)定性（>5000次循環(huán)）。此外，研究發(fā)現(xiàn)由石墨烯玻璃纖維編織成的織物具有較高的電熱轉(zhuǎn)換效率（>90%），可實現(xiàn)寬溫區(qū)（55-980°C）、快速升溫（<15s）的高溫電加熱效果（圖2）。

圖 2 柔性石英纖維織物用于高溫電加熱

該研究不僅為石墨烯新材料的開發(fā)提供了新思路同時將傳統(tǒng)基礎(chǔ)材料和石墨烯材料有機結(jié)合，有力推動了石墨烯石英纖維的工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)應用。

北京大學崔光博士后、程熠博士生和劉燦博士后為本文的共同**作者，劉忠范院士、劉開輝研究員和河南大學陳珂教授為本文的共同通訊作者。上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市自然基金、北京石墨烯專項計劃等項目的支持。

來源： 北京石墨烯研究院