浙江大学高超教授团队Adv Fiber Mater综述—多功能纳米复合纤维：“组合拳”打出大用途！

摘要

纳米复合纤维是通过引入纳米材料或纳米结构制备而成的纤维材料，具有特定的性能和功能。高分子基纳米复合纤维具有易加工、结构可调、力学性能优异、功能性多样等特性，在医疗保健、航空航天、能源存储和环境监测等领域表现出巨大的应用前景。

近期，浙江大学高超教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“A Review of Multifunctional Nanocomposite Fibers: Design, Preparation and Applications”的综述文章，系统阐述了多功能纳米复合纤维的发展现状及未来趋势。文章重点介绍了高分子基纳米复合纤维的六大功能：高力学强度、电磁屏蔽与阻燃、导电导热性、远红外/负离子发生与发电、能源储存、湿度及化学传感；总结了不同功能纤维的设计思路、制备方法和应用场景，提出了现有纳米复合纤维面临的挑战和未来的发展方向。

图1 纤维的工业化发展历程

正文

文章首先介绍了纤维的工业化发展历程(图1)。20世纪50年代，功能纤维实现工业化生产，人们开始关注纤维的附加价值。为了改善传统天然及化学纤维的力学性能和功能，纳米复合纤维应运而生。经历了近60年的发展，纳米复合纤维已具备高强度、电磁屏蔽、高导电、高导热、远红外与负离子发生、储存与释放电能、传感等诸多功能。21世纪初，新一代的生态级保健纤维——石墨烯纳米复合纤维实现工业化生产，这类纤维兼具环境无害、病菌防护、辅助理疗的特点，纳米复合纤维进入绿色可持续发展的新阶段。未来，纳米复合纤维追求集成自感知、自驱动、自修复等智能性，推进新一代智能纳米复合纤维的工业化生产和应用。

随后，围绕高分子基纳米复合纤维的六大功能——高强度、电磁屏蔽与阻燃、导电导热性、远红外/负离子发生与发电、储能、传感，探讨了各功能的设计原则、制备方法、内在机理和性能对比。目前，与高分子复合的纳米填料分为零维、一维和二维纳米材料，例如零维的金属及金属氧化物纳米颗粒、无机纳米粉、碳量子点，一维的碳纳米管、金属纳米线、导电高分子，二维的石墨烯、二硫化钼、MXene等。通过合理选择高分子基体与纳米填料，设计功能性(图2)。采用复合纺丝或后处理方法，将多种组分加工成纳米复合纤维(图3)。纤维组分的选择与纳米结构的设计，决定了纤维的性能(图4-图7)。

图2 纳米填料增强高分子纤维的力学性能

图3 电磁屏蔽纳米复合纤维的制备方法

图4 导电纳米复合纤维的制备方法

图5 发电纳米复合纤维的制备方法和发电原理

图6 储能纳米复合纤维结构示意图

图7 传感纳米复合纤维的制备方法

纳米复合纤维的诞生和发展，促进了功能纤维在航空航天、医疗保健、建筑工程等重要领域的广泛应用。目前，多功能纳米复合纤维面临原料成本高、不可降解或再生、性能不足、难以稳定工业化生产等问题。因此，未来需要开发新型的原料组分和设计策略，改善纳米复合纤维的经济性和环保性，稳步提升纤维的综合力学性能和功能性，实现新型纳米复合纤维的规模化生产和绿色可持续发展。如今，智能纳米复合纤维的出现为新一代纤维技术的发展带来了契机。开发纳米复合纤维的智能性并实现工业化生产将推动纤维在更多场景的应用。

浙江大学博士生刘丽军和博士后畅丹为本文的第一作者，高超教授为通讯作者。

课题组简介

高超特聘教授，博士研究生导师，浙江大学高分子科学与工程学系，浙江大学高分子科学研究所所长，浙江大学先进纤维材料研究中心主任，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事石墨烯化学与宏观组装等方面的研究，发明了石墨烯纤维、石墨烯柔性薄膜、石墨烯气凝胶、石墨烯无纺布、石墨烯/硅室温宽光谱光电探测器等原创成果。在Science、Nat. Electron.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等国际知名期刊发表学术论文260余篇，连续五年入选科睿唯安全球“高被引科学家”。编著《石墨烯宏观材料及应用》著作一本。承担国家自然科学基金委重大、重点、杰青项目等十多项。授权中国发明专利200余件、国际专利10余件，完成78项专利权转让。担任2D Materials、Advanced Fiber Materials、Carbon Energy、Nano-Micro Letters及《物理化学学报》等期刊编委。入选国家科技创新领军人才、亚太材料科学院院士 (Academician of Asia-Pacific Academy of Materials)，曾获“2021年度浙江省自然科学奖一等奖”、首届“钱宝钧纤维材料 青年学者奖”、“Gold Kangaroo World Innovation Award”、“第十二届浙江省青年科技奖”、全国优秀博士学位论文等荣誉。成果曾入选《自然》年度最具影响力图像之一、中国十大学术进展新闻、浙江大学十大学术进展、最轻固态材料吉尼斯世界纪录。通过产学研协同创新，建成了全球首条IGCC认证的单层氧化石墨烯量产线，发明了第四代纤维—石墨烯康护纤维，打通了石墨烯的料材器用全链条，实现了规模化应用。

原文信息

Lijun Liu, Dan Chang, Chao Gao^*, A Review of Multifunctional Nanocomposite Fibers: Design, Preparation and Applications. Advanced Fiber Materials., 2023.

https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-023-00340-1

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-023-00340-1