浙大高超团队：石墨烯纤维热管理领域成果集锦

浙江大学高超教授团队和合作者针对石墨烯和石墨烯纤维材料，以实际应用为导向，进行了长期积累研究，取得了丰富的系列研究成果。主要包括：

• 石墨烯领域研究（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）；
• 高强高导热石墨烯纤维（Nat. Commun. 2024, 15, 409; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2006584）；
• 高导热石墨烯纤维丝束的规模化制备（Carbon 2024, 221, 118947）；
• 高性能石墨烯基复合纤维（Nano Lett. 2024, 24(14), 4256; Adv. Mater. 2022, 34, 2201867）；
• 基于剪切印刷术的高导热石墨烯复合材料（Adv. Mater. 2023, 35, 2300077）；
• 面向极端热管理的高导热石墨质膜（Nano-Micro Lett. 2024, 16, 58; Adv. Funct. Mater. 2024, 2400110；Carbon 2020，167, 249）；
• 石墨烯纤维基热界面材料（DOI: 10.1021/acsnano.4c04349）

01、多功能纳米复合纤维综述：“组合拳”打出大用途！

浙江大学高超教授课题组系统阐述了多功能纳米复合纤维的发展现状及未来趋势。作者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。探讨了各功能的设计原则、制备方法、内在机理和性能对比。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。

综述以“A Review of Multifunctional Nanocomposite Fibers: Design, Preparation and Applications”为题发表于《Advanced Fiber Materials》期刊。

链接：https://doi.org/10.1007/s42765-023-00340-1

02、氧化石墨烯：二维胶体分子、流体物理学和宏观组装材料

浙江大学高超团队系统总结了二维GO胶体分子在科学探究、技术开发和工业转化方面的系列进展，重点介绍了GO胶体分子独特的流体物理学性质。阐述了高性能石墨烯基宏观材料（如一维石墨烯纤维，二维石墨烯薄膜和三维石墨烯泡沫）的塑化加工原理和相关研究进展，全面归纳了提高宏观石墨烯组装体力学、热学和电学性能的指导思想和优化策略。最后，基于团队近十余年来在石墨烯宏观组装体领域的深耕，提出了未来关于二维GO胶体分子和石墨烯宏观组装体的研究展望和工业化蓝图。

研究成果以“A review on graphene oxide: 2D colloidal molecule, fluid physics and macroscopic materials”为题发表于《Applied Physical Review》期刊。

链接：https://doi.org/10.1063/5.0128899

03、双曲面石墨烯框架突破复合材料导电导热功能增强效率极限

浙江大学许震、庞凯博士提出了双曲面结构石墨烯连续网络作为几何最优的功能填料，为电子和声子的高效传输提供了通道，拓宽了二维薄片的结构设计空间。在最低填料含量下展现出最优的导电、导热性能，当体积添加量仅为1.6%时，电导率达到 13911 S/m，热导率达到 31.6 W/(mK)。柔性双曲面石墨烯复合材料可通过简单易行的真空灌注方式实现大规模制备，在电磁屏蔽、传感及热管理等领域展现出优异性能及巨大应用潜力。

研究成果以“Hyperbolic Graphene Framework with Optimum Efficiency for Conductive Composites”为题发表于《ACS Nano》期刊。

链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05414

04、氧化石墨烯二维大分子的构象工程

浙江大学高超教授、许震研究员团队探索了二维大分子的构象原理，并在氧化石墨烯模型中建立了宏观组装材料的系统程序。系统总结了团队关于氧化石墨烯 2D大分子的单分子构象行为、液晶凝聚态以及宏观材料的工作进展。以单层GO为实验模型，总结了构象以及构象转变的基本原理与规律，展望了构象精确设计与控制的发展方向；提出了一种新的构象工程方法学，为典型二维石墨烯的宏观材料的“加工—结构—性能”提供了系统的思路，用以指导2D聚合物宏观材料的结构精确设计与控制。

研究成果以“Conformation Engineering of Two-Dimensional Macromolecules: A Case Study with Graphene Oxide”为题发表于《Accounts of Materials Research》期刊。

链接：https://doi.org/10.1021/accountsmr.0c00027

05、石墨烯纤维的诞生、发展与展望

浙江大学高超团队在综述中从四个角度呈现了石墨烯纤维的特点：制备技术、形态控制、结构与性能的关系以及结构功能一体化。通过结构优化，石墨烯纤维的机械强度已经超过2 GPa，模量达到400 GPa，导电率达到一百万西门子每米的级别，而导热系数也超过了1500 W m-1K-1，在某些领域超越传统的碳质纤维。在汽车、轮船、人造卫星等军用领域，所有需要轻质、高强和导热支撑体的零件都可以用到石墨烯纤维；在民用领域，依托于良好的导电性能，机械强度和柔性，石墨烯纤维可以做为轻质导线在极宽的温度范围内工作；另外，石墨烯纤维可以制备成柔性织物穿戴在人体表面，作为纤维状电池或者电容器的电极实现储能器件的可穿戴。

研究成果以“A Review on Graphene Fibers：Expectations, Advances, and Prospects”为题发表于《Advanced Materials》期刊。

链接：https://doi.org/10.1002/adma.201902664

06、石墨烯以及其他二维胶体：液晶和宏观纤维

浙江大学高超教授课题组讨论了二维胶体、液晶与宏观纤维关联领域的研究。作者首先追溯了二维胶体的历史，探讨了在液晶研究背景中二维纳米材料纤维的概念，详细阐述了制备的动机、原理和可能的策略。然后文章重点关注了石墨烯纤维的出现、发展和应用。此外，二维纳米纤维的最新进展以及未来发展趋势也被概括描述。

研究成果以“Graphene and Other 2D Colloids: Liquid Crystals and Macroscopic Fibers”为题发表于《Advanced Materials》期刊。

链接：https://doi.org/10.1002/adma.201606794

07、纳米碳的超结构组装：富勒烯、纳米管和石墨烯

浙江大学高超教授课题组讨论了二维胶体、液晶与宏观纤维关联领域的研究。作者首先追溯了二维胶体的历史，探讨了在液晶研究背景中二维纳米材料纤维的概念，详细阐述了制备的动机、原理和可能的策略。然后文章重点关注了石墨烯纤维的出现、发展和应用。此外，二维纳米纤维的最新进展以及未来发展趋势也被概括描述。

研究成果以“Superstructured Assembly of Nanocarbons: Fullerenes, Nanotubes, and Graphene”为题发表于《Chemical Reviews》期刊。

链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00102

08、超高导热超高模量石墨烯纤维

浙江大学刘英军研究员、许震研究员、清华大学徐志平教授和浙江大学高超教授团队合作，提出“复合流场湿法纺丝”方法，纺丝的同时，引入径向的旋转流场形成同心圆的液晶织构，组装有序性、致密度和晶区尺寸皆有显著提升，同时实现了纤维的超高导热和超高模量性能，导热率达1660 W/mK，杨氏模量达901GPa。应用于高导热高模量聚丙烯腈（PAN）/石墨烯复合碳纤维，其模量达663GPa，导热率达1254 W/mK，远超传统聚丙烯腈基碳纤维（10-150 W/mK）。

相关成果以“Bidirectionally promoting assembly order for ultrastiff and highly thermally conductive graphene fibres”为题发表于《Nature Communications》。

链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44692-7

09、结构功能一体化石墨烯纤维

浙江大学高超、许震团队与清华大学马维刚教授团队（共同通讯）合作，利用先前建立的溶剂插层塑化的效应对初生的氧化石墨烯纤维进行二次塑化拉伸，大幅度消除石墨烯原丝中的无规褶皱结构。经过后续高温热处理，得到高取向度（92%）和大尺寸石墨微晶（174.3 nm）的石墨烯纤维，远大于传统碳纤维内部微晶尺寸；使得石墨烯纤维兼具高强度（3.4 GPa）与优异的电学（1.19×106 S/m）、热学传导性（1480 W/mK），为推进结构功能一体化碳质纤维提供了新思路。这种塑化纺丝的工艺可以实现连续制备，有利于石墨烯纤维的工程化。

研究成果以“Highly Crystalline Graphene Fibers with Superior Strength and Conductivities by Plasticization Spinning”为题发表于《Advanced Functional Materials》期刊。

链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202006584

10、大规模制备高导热石墨烯纤维长丝

浙江大学高超教授课题组报告了具有高强度和优异导热性的石墨烯纤维长丝的大规模工业制备策略。在可扩展的湿法纺丝过程中，作者引入了分步溶剂插层塑性拉伸技术，以提高氧化石墨烯前驱体纤维丝的均匀性、密度和结构顺序。化学还原和高温石墨化还原了石墨烯原子结构，实现了长丝的大石墨晶体尺寸。石墨烯纤维丝具有良好的综合性能，包括抗拉强度1.4 GPa、密度1.93 g/cm3、导电率 4.1×105 S/m 和导热率 1204 W/mK。

研究成果以“Large-scale preparation of thermally conductive graphene fiber filaments”为题发表于《Carbon》期刊。

链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118947

11、层间缠结调控制备高性能石墨烯基复合纤维

浙江大学高分子系许震研究员（共同通讯），刘英军研究员（共同通讯），西安交通大学助理教授陈炎（共同通讯）合作提出对石墨烯基仿贝壳材料层间缠结调控的两个趋势。第一种：引入氢键加强缠结网络，获得材料强度和韧性的同时提升，制得石墨烯基复合纤维兼具1.58 GPa的高强度和52 MJ/m3的高韧性。第二种：同时引入氢键和金属离子键，加强缠结网络，获得高强高模仿生复合材料，石墨烯基复合纤维最终达到2.3 GPa的高强度和253 GPa的高模量，再一次打破了石墨烯基复合纤维的性能极限。通过实验和分子动力学模拟分析了缠结网络在调控下的微观作用机制，为将缠结增强机制推广应用到其他由界面相互作用主导的纳米复合材料做了铺垫。

相关成果以“High Performance Nacre Fibers by Engineering Interfacial Entanglement”为题发表于《Nano Letters》期刊。

链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00581

12、高导热石墨烯复合碳纤维

浙江大学高超教授（共同通讯）、许震研究员（共同通讯）、刘英军副研究员（共同通讯）团队和上海交通大学国凤林教授团队（共同通讯）合作提出了一种创新的“二维拓扑晶种石墨化”策略，取得了高导热石墨烯复合碳纤维的新突破。通过实验和分子动力学模拟共同揭示了二维拓扑晶种石墨化的分子机理。该石墨烯复合碳纤维的导热率可达 850 W/mK（远超传统聚丙烯腈基碳纤维的 32 W/mK），达到了特种沥青基碳纤维水平。其比导热率为 450 mW∙m2/kg∙K，超过了众多纤维材料（金属纤维和传统碳纤维）。发展了低成本高导热纤维的制备技术，可促进未来功能纤维在热管理和柔性储能等领域应用。

研究成果以“Two-dimensional Topology-Seeded Graphitization for Highly Thermally Conductive Carbon Fibers”为题发表于《Advanced Materials》期刊。

链接：https://doi.org/10.1002/adma.202201867

13、液晶剪切智造术大面积制备竖直排列高导热材料

浙江大学高超教授、刘英军研究员、刘森坪博士团队提出了一种创新的“剪切智造术”策略，通过程序化控制的微丝运动在液晶中引发微剪切流场，微剪切流场诱导片层垂直取向，实现了大片径高取向氧化石墨液晶的制备。基于剪切智造术制备的大尺寸氧化石墨液晶具有高达 0.82的取向度和慢松弛特征，展现出规模制备优势。基于高取向液晶制备的石墨阵列为聚合物基质提供了高效声子传输通道，极大降低了声子散射并弱化片层/聚合物界面热阻。石墨阵列基热界面材料展现出94 W m-1 K-1的导热率，超过金属热界面材料-铟(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”为题发表于《Advanced Materials》期刊。

链接：https://doi.org/10.1002/adma.202300077

14、面向极端热管理的高导热石墨质膜

浙江大学高超教授、刘英军研究员、许震长聘副教授团队首次报道了GF在循环液氮冲击过程中出现的异常表面鼓泡新现象，并揭示了其结构破坏机制，即氮气分子在GF的内部结构空隙中遵循“渗透-扩散-变形”行为模式。基于极端液氮条件下的表面鼓泡失效机制，提出了一种通用的无缝异质界面结构设计理念，制备了高性能纳米厚度铜层增强的石墨质导热膜。所得的纳米铜层增强石墨质膜具有高导热和高结构稳定性的特点，在150次77 K- 300 K冷热冲击下具有高达1088 W/mK的导热率。

研究成果以“Highly Thermally Conductive and Structurally Ultra-stable Graphitic Films with Seamless Heterointerfaces for Extreme Thermal Management”为题发表于《Nano-Micro Letters》期刊。

链接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01277-1

15、面向极端热管理的双向高导热且结构超稳定的石墨烯基厚膜

浙江大学高超、刘英军、许震团队提出了一种无缝键合组装策略，采用轻质高导热的石墨烯薄膜和三元金属纳米层作为组装单元，通过界面组成和结构设计，有效改善了石墨烯厚膜的界面结构，获得了结构超稳定且双向高导热的石墨烯厚膜。当厚度为250 μm时，其面内和面外热导率分别高达925.75 W/(mK)和7.03 W/(mK)。此外，在77 K至573 K的数百次高/低温冲击后，该石墨烯厚膜的结构和导热性能也表现出显著的稳定性，确保了其在极端热管理应用中的环境适应性。

相关成果以“Bidirectionally High-Thermally Conductive and Environmentally Adaptive Graphene Thick Films Enabled by Seamless Bonding Assembly for Extreme Thermal Management”为题发表于《Advanced Functional Materials》期刊。

链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400110

16、基于自融合效应的高热通量石墨烯膜的制备

浙江大学高超教授团队提出一种基于氧化石墨烯自融合效应的间接粘接的方法来实现高热通量石墨烯厚膜的制备。通过粘接不同层数的氧化石墨烯膜，经过干燥、热压、石墨化、冷压之后，得到了不同厚度且无界面层离的石墨烯膜。该方法制备的石墨烯膜最厚的24层石墨烯膜（厚度约为200 μm）仍然保持有1220 W m-1 K-1的热导率和 6.91×105 S m-1的电导率。证明了制备的石墨烯厚膜具有高热通量。在文中展示的传热模型中24层石墨烯膜的热通量为 0.2002 J s-1, 两倍于具有相同厚度的铜箔(热通量为0.0955 J s-1)，也明显高于具有较小厚度的石墨烯膜。

研究成果以“Ultrathick and highly thermally conductive graphene films by self-fusion strategy”为题发表于《Carbon》期刊。

链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.051

17、一种具有柔性金属级导热的石墨烯纤维基热界面材料

浙江大学刘英军研究员、许震研究员、高超教授团队，首次采用高导热柔性的石墨烯纤维作为导热填料，并创造性地提出了一种机电双场协同取向工程策略。石墨烯纤维（GF）具有高达约1200 W/mK 的超高导热率和出色的柔韧性，在双场协同取向工程策略下，获得了兼具高垂直取向度（0.88）和优异阵列密度（33.5 mg cm2）的GF阵列。即使在17wt %填料含量下，该TIM表现出金属级的导热性能（82.4 Wm-1K-1）与优异的弹性顺应性，甚至可与常用的铟箔相媲美。得益于GF的低刚度，GF基TIM的压缩模量低至0.57MPa，压缩循环后的回弹率高达 95%，接触热阻低至 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”为题发表于《ACS Nano》期刊。

链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04349