北京大学《Nano Lett》：碳烯纤维-迈向下一代纤维材料

成果简介

人类社会的发展对先进纤维材料提出了前所未有的要求，特别是近半个世纪以来，碳纤维（CF）、芳纶纤维、陶瓷纤维等高性能纤维发展迅速，已广泛应用于航空航天、国防、交通等前沿领域。其中，纳米碳材料，如碳纳米管，石墨烯的出现，推动了碳基纤维的进一步发展，纳米碳材料由sp2杂化碳原子组成，它们具有超高的比强度，韧性，导电性和导热性，极大提升了纤维的综合性能。

本文，北京大学张锦院士团队在《Nano Lett》期刊发表名为“Carbonene Fibers: Toward Next-Generation Fiber Materials”的论文，研究对碳纤维的结构、分类和设计策略进行了全面探讨，并总结了碳纤维制备和应用的最新进展。最后，该工作还发表了其对开发下一代轻质、高性能、多功能和智能碳纤维材料的看法。

图文导读

几十年来，研究人员付出了巨大的努力来弥合纳米级结构和碳烯材料宏观组装之间的巨大差距，以用于高级工程应用。一项重大成就是基于CNT/石墨烯的宏观纤维材料的生产性发展，即“碳烯纤维”，其中碳烯材料的优异性能得到了发挥。

图 1. (a) sp 2组成的纳米碳烯材料示意图-杂化碳原子，主要包括CNT、石墨烯和富勒烯。(b) 三种基于 CNT/石墨烯的宏观碳烯纤维：原始碳烯纤维（碳烯材料是唯一的组成部分）、复合碳烯纤维（碳烯材料是与其他客体材料复合的主要成分）和碳烯改性纤维（碳烯材料是其他基质材料的添加剂）。(c) 原始碳烯纤维在原子尺度（碳烯材料的结构完整性）、纳米尺度（紧密堆积的结构，包括 CNT 束和石墨烯层压板）和微米尺度（均质纤维结构）水平上的多尺度设计策略。(d) 复合碳烯纤维的设计策略。客体材料（导体、交联剂、和功能材料）和碳烯材料以及纤维的微观结构（例如扭曲或多孔结构）是两个主要问题。(e) 复合碳烯纤维的设计策略，包括碳烯材料的分散及其与基体的相互作用。

为了弥合纳米级碳烯材料及其宏观应用之间的差距，需要控制碳烯材料的合成和碳烯纤维的实际制备，以获得具有特定性能的预期结构。大量尝试致力于制备高性能碳烯纤维，不仅用于实验验证，还用于超越实验室进入工业领域。此处介绍了具有代表性的制备和加工方法，并对其性能进行了讨论，以全面介绍碳烯纤维领域所涉及的重要问题。

图2. 通过湿法纺丝、干法纺丝及气凝胶纺丝制备碳基纤维的示意图，对碳基纤维的后处理工艺以及报道的碳基纤维的性能对比。

复合碳烯纤维的制备工艺与原始碳烯纤维的制备工艺兼容。在湿法纺丝中，可以通过制备复合纺丝溶液来进行客体材料的采用。将GO水分散体与酚醛树脂溶液混合，然后进行湿纺和退火，可以通过减少缺陷和在纤维中形成新的C-C键，将 GF的拉伸强度从 0.68GPa大幅提高到复合GF的 1.45GPa。

图3. 功能化处理石墨烯纤维。

近几十年来，碳烯纤维领域取得了令人瞩目的成就，学术界为寻找其杀手级应用进行了无数次尝试。碳烯纤维的整体应用可分为轻质高性能纤维、功能纤维、智能纤维三个方面。

图5. 碳纤维在轻质高性能纤维，智能纤维，功能化纤维三个方面的应用。

小结

由于其非凡的性能，对碳烯材料的研究已经持续了数十年，目前仍在不断发展。正如本文介绍的，已经仔细考虑了将纳米级碳烯材料成功组装成宏观纤维材料及其在众多领域中的应用。由碳烯材料构成的纤维材料组成碳烯纤维，其中可以有利地利用碳烯材料的固有性质。简要回顾了碳烯纤维的设计策略和制备方法，以探讨弥合纳米碳烯材料与宏观碳烯纤维之间差距的机遇和挑战。碳烯纤维作为轻量化的应用，

虽然取得了令人瞩目的成就，但碳烯纤维的发展面临着巨大的挑战。一个科学问题是碳烯纤维的性能仍远未达到预期。这一研究现状要求构建系统的理论框架和开发实用的加工技术。建立结构-加工-性能关系将为制备具有设计结构的高性能碳烯纤维提供指导。值得注意的是，实验室对碳烯纤维的力学测量通常不符合标准，导致对其性能的估计存在争议，因为结果很大程度上取决于测试的几何形状和方法。所以，需要建立相关的标准来客观地评价他们的表现。另一个实际问题仍然是绝大多数碳烯纤维是在实验室规模上制备的。从实验室到工业都会出现具有挑战性的问题，例如具有受控结构的碳烯材料以相对较低的成本大批量广泛使用，以及用于大量制备高性能碳烯纤维的连续制造技术。因此，基础研究和工业生产的结合是必不可少的。通过掌握先进碳烯纤维的性能传递规律和设计原理，开发相应的工业制造技术，可以期待在不久的将来碳烯纤维的最终成功。

文献：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04878