干紡法制備石墨烯纖維及其電熱性能的多維度探究一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)迅猛發(fā)展的當(dāng)下，新型材料不斷涌現(xiàn)，其中石墨烯纖維憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，成為材料領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。石墨烯纖維作為一種由石墨烯片層緊密有序排列而成的一維宏觀組裝材料，巧妙地將石墨烯在微觀尺度下的卓越特性傳遞至宏觀尺度，展現(xiàn)出了非凡的潛力。石墨烯，這種由碳原子以蜂窩狀結(jié)構(gòu)連接而成的二維片狀材料，自2004年被首次成功分離以來(lái)，便因其諸多優(yōu)異性能而備受矚目。它擁有迄今為止最高的拉伸強(qiáng)度，可達(dá)130GPa，這使其在需要承受高強(qiáng)度外力的應(yīng)用場(chǎng)景中具有巨大優(yōu)勢(shì)；最高的楊氏模量達(dá)1TPa，賦予了材料出色的抗變形能力；最高的載流子遷移率為15000cm2?V?1?s?1，確保了其在電子學(xué)領(lǐng)域的高效電荷傳輸；最快傳熱速度，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5000W?m?1?K?1，在熱管理等方面表現(xiàn)出色。這些卓越性能為石墨烯在材料、器件、儲(chǔ)能等眾多領(lǐng)域開(kāi)辟了廣闊的應(yīng)用前景，使其被譽(yù)為“新材料之王”。然而，由于石墨烯不能熔融，且內(nèi)部的大π鍵促使其容易發(fā)生聚集，難以形成均一的分散液，這給石墨烯的后續(xù)加工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。為了將石墨烯的優(yōu)異性能充分應(yīng)用于實(shí)際，將其制備成宏觀材料成為關(guān)鍵。石墨烯纖維的出現(xiàn)，為解決這一問(wèn)題提供了有效途徑。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可控制備，石墨烯纖維能夠?qū)⑹┑膬?yōu)異性能有效整合，在功能織物、傳感、能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。在功能織物領(lǐng)域，石墨烯纖維可賦予織物抗菌抑菌、抗靜電、抗紫外線等性能，同時(shí)其自身綠色環(huán)保、無(wú)毒無(wú)害的特性，適應(yīng)了環(huán)保型社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)，有力地推動(dòng)了紡織工業(yè)中高附加值、多功能化織物的發(fā)展。在傳感領(lǐng)域，利用石墨烯纖維對(duì)環(huán)境變化的高靈敏度響應(yīng)，可制備出高性能的傳感器，用于檢測(cè)各種物理和化學(xué)量的變化，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。在能源領(lǐng)域，石墨烯纖維在電池、超級(jí)電容器等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，有望提高能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換效率。在石墨烯纖維的制備方法中，干紡制備技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的濕法紡絲相比，干紡法在制備過(guò)程中避免了大量溶劑的使用，不僅減少了環(huán)境污染，還提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，干紡法能夠更好地控制纖維的結(jié)構(gòu)和性能，使得制備出的石墨烯纖維具有更加均勻的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。例如，通過(guò)干紡法制備的石墨烯纖維，其石墨烯片層的排列更加有序，從而提高了纖維的力學(xué)性能和電學(xué)性能。在一些研究中，利用干紡法制備的石墨烯纖維的拉伸強(qiáng)度和導(dǎo)電率都有顯著提升，為其在高端領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對(duì)石墨烯纖維電熱性能的研究也具有極其重要的意義。電熱性能是石墨烯纖維的關(guān)鍵性能之一，直接影響著其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用效果。在智能加熱領(lǐng)域，石墨烯纖維的電熱性能使其可作為高效的電熱材料，應(yīng)用于智能發(fā)熱服裝、加熱器件等。通過(guò)精確控制石墨烯纖維的電熱性能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)調(diào)控，滿足不同場(chǎng)景下的加熱需求。在電子器件散熱領(lǐng)域，其良好的導(dǎo)熱性能可有效將熱量傳遞出去，提高電子器件的工作穩(wěn)定性和壽命。深入研究石墨烯纖維的電熱性能，揭示其內(nèi)在機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化其性能、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域具有至關(guān)重要的作用。通過(guò)對(duì)石墨烯纖維電熱性能的研究，可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其在熱管理、傳感器等領(lǐng)域的新應(yīng)用，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。本研究聚焦于石墨烯纖維的干紡制備及電熱研究，旨在深入探索干紡制備工藝對(duì)石墨烯纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，揭示石墨烯纖維電熱性能的內(nèi)在機(jī)制，為制備高性能的石墨烯纖維及其在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。期望通過(guò)本研究，能夠推動(dòng)石墨烯纖維材料的發(fā)展，為解決實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題提供新的思路和方法，助力相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀石墨烯纖維作為一種新型碳基纖維材料，其干紡制備工藝與電熱性能研究在國(guó)內(nèi)外均取得了顯著進(jìn)展，吸引了眾多科研團(tuán)隊(duì)與企業(yè)的關(guān)注。在干紡制備工藝方面，國(guó)外研究起步相對(duì)較早，在基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行了深入探索。美國(guó)、日本等國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)新的干紡技術(shù)和工藝，以提高石墨烯纖維的質(zhì)量和性能。例如，美國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)通過(guò)改進(jìn)干紡設(shè)備和工藝參數(shù)，成功制備出了具有較高強(qiáng)度和導(dǎo)電性的石墨烯纖維，在航空航天、電子等高端領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在應(yīng)用價(jià)值。他們研究了不同的紡絲前驅(qū)體和添加劑對(duì)纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響，為優(yōu)化干紡工藝提供了理論依據(jù)。日本則側(cè)重于研究干紡過(guò)程中石墨烯片層的排列和取向控制，通過(guò)精確調(diào)控紡絲條件，實(shí)現(xiàn)了石墨烯片層在纖維中的高度有序排列，從而提升了纖維的力學(xué)和電學(xué)性能。國(guó)內(nèi)在石墨烯纖維干紡制備領(lǐng)域也取得了令人矚目的成果，部分研究達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)在石墨烯纖維制備方面做出了突出貢獻(xiàn)，首創(chuàng)氧化石墨烯液晶濕法紡絲策略，后又提出了多級(jí)塑化紡絲的連續(xù)制備方法，利用溶劑插層塑化效應(yīng)消除石墨烯原絲中的無(wú)規(guī)褶皺結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砗螅玫搅烁呷∠蚨群痛蟪叽缡⒕У氖├w維，其取向度可達(dá)92%，石墨微晶尺寸達(dá)174.3nm，兼具高強(qiáng)度（3.4GPa）與優(yōu)異的電學(xué)（1.19×10?S/m）、熱學(xué)傳導(dǎo)性（1480W/mK），為推進(jìn)結(jié)構(gòu)功能一體化碳質(zhì)纖維提供了新思路。此外，國(guó)內(nèi)其他科研團(tuán)隊(duì)也在不斷探索創(chuàng)新，如通過(guò)改進(jìn)干紡工藝中的干燥方式、添加功能性助劑等方法，來(lái)改善石墨烯纖維的性能，使其在更多領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。在電熱性能研究方面，國(guó)外研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方式，深入探究石墨烯纖維的電熱傳導(dǎo)機(jī)制。例如，德國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的微觀表征技術(shù)，研究了石墨烯纖維在電熱過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化，揭示了石墨烯片層間的電子和聲子傳輸規(guī)律，為提高纖維的電熱性能提供了理論指導(dǎo)。他們還研究了不同摻雜元素對(duì)石墨烯纖維電熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)適當(dāng)?shù)膿诫s可以顯著提高纖維的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，從而提升其電熱轉(zhuǎn)換效率。韓國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)則專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)基于石墨烯纖維的新型電熱器件，如可穿戴的智能加熱織物、高效的加熱元件等，通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料組合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的精確控制和高效加熱，在智能穿戴和醫(yī)療保健等領(lǐng)域展示出良好的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)在石墨烯纖維電熱性能研究領(lǐng)域同樣成果豐碩。眾多高校和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量相關(guān)研究，通過(guò)對(duì)石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝優(yōu)化，有效提升了其電熱性能。例如，一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)控石墨烯纖維的微觀結(jié)構(gòu)，如增加石墨烯片層的堆疊層數(shù)、改善片層間的接觸界面等，提高了纖維的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，進(jìn)而增強(qiáng)了其電熱性能。還有團(tuán)隊(duì)將石墨烯纖維與其他材料復(fù)合，制備出具有協(xié)同效應(yīng)的復(fù)合材料，進(jìn)一步拓展了石墨烯纖維在電熱領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。在應(yīng)用研究方面，國(guó)內(nèi)積極推動(dòng)石墨烯纖維電熱材料在智能加熱服裝、建筑供暖、電子器件散熱等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，取得了一系列階段性成果。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在石墨烯纖維干紡制備及電熱性能研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在干紡制備工藝方面，目前的工藝還不夠成熟，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量的生產(chǎn)，制備過(guò)程中的能耗較高，成本也相對(duì)較高，限制了石墨烯纖維的廣泛應(yīng)用。此外，對(duì)于干紡過(guò)程中石墨烯片層的精確控制和纖維結(jié)構(gòu)的均勻性調(diào)控，仍缺乏深入系統(tǒng)的研究。在電熱性能研究方面，雖然對(duì)石墨烯纖維的電熱傳導(dǎo)機(jī)制有了一定的認(rèn)識(shí)，但還不夠全面和深入，對(duì)于一些復(fù)雜環(huán)境下的電熱性能變化規(guī)律研究較少。同時(shí)，如何進(jìn)一步提高石墨烯纖維的電熱轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)其電熱性能的精確調(diào)控，仍是亟待解決的問(wèn)題。未來(lái)的研究可以朝著優(yōu)化干紡制備工藝、降低成本、深入揭示電熱傳導(dǎo)機(jī)制、開(kāi)發(fā)新型電熱應(yīng)用等方向展開(kāi)，以推動(dòng)石墨烯纖維材料的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞石墨烯纖維干紡制備及電熱性能展開(kāi)，主要涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：石墨烯纖維干紡制備原理與工藝研究：深入剖析干紡制備石墨烯纖維的基本原理，探究紡絲過(guò)程中石墨烯片層的排列、取向及相互作用機(jī)制。系統(tǒng)研究不同紡絲參數(shù)，如紡絲液濃度、紡絲溫度、紡絲速度、噴頭孔徑等對(duì)纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律。通過(guò)優(yōu)化這些參數(shù)，旨在獲得高質(zhì)量、高性能的石墨烯纖維。例如，通過(guò)改變紡絲液濃度，研究其對(duì)石墨烯片層間相互作用的影響，進(jìn)而分析對(duì)纖維力學(xué)性能和電學(xué)性能的作用。在紡絲溫度的研究中，探索不同溫度下石墨烯片層的結(jié)晶行為和取向變化，以及對(duì)纖維整體性能的影響。石墨烯纖維結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究：借助先進(jìn)的材料表征技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼光譜（Raman）、X射線衍射（XRD）等，深入分析石墨烯纖維的微觀結(jié)構(gòu)，包括石墨烯片層的堆疊方式、取向程度、缺陷分布等。建立纖維微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能，如力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度、楊氏模量等）、電學(xué)性能（電導(dǎo)率、電阻率等）、熱學(xué)性能（熱導(dǎo)率、比熱容等）之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過(guò)調(diào)控纖維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的有效優(yōu)化。比如，利用SEM觀察石墨烯片層在纖維中的排列情況，結(jié)合拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，分析結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響。通過(guò)Raman光譜分析石墨烯片層的缺陷程度，研究其與電導(dǎo)率之間的關(guān)系。石墨烯纖維電熱性能影響因素研究：全面研究影響石墨烯纖維電熱性能的各種因素，包括纖維的微觀結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)含量、外部電場(chǎng)強(qiáng)度、環(huán)境溫度等。深入探究電熱性能的內(nèi)在機(jī)制，如電子傳輸機(jī)制、熱傳導(dǎo)機(jī)制以及兩者之間的耦合作用。通過(guò)優(yōu)化制備工藝和后處理方法，提高石墨烯纖維的電熱轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。例如，研究雜質(zhì)含量對(duì)電子傳輸?shù)淖璧K作用，以及對(duì)電熱轉(zhuǎn)換效率的影響。分析外部電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電子遷移率的影響，進(jìn)而探究其對(duì)電熱性能的調(diào)控機(jī)制?；谑├w維的電熱應(yīng)用研究：探索石墨烯纖維在智能加熱、電子器件散熱等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。設(shè)計(jì)并制備基于石墨烯纖維的電熱器件，如智能發(fā)熱服裝、加熱元件、散熱片等，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。研究電熱器件的性能與石墨烯纖維性能之間的關(guān)聯(lián)，為石墨烯纖維的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。比如，在智能發(fā)熱服裝的研究中，將石墨烯纖維編織成織物，測(cè)試其在不同電壓下的發(fā)熱性能和溫度均勻性，評(píng)估其穿著舒適性和安全性。在電子器件散熱應(yīng)用中，將石墨烯纖維制成散熱片，安裝在電子器件上，測(cè)試其散熱效果和對(duì)器件工作穩(wěn)定性的影響。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和模擬計(jì)算等多種方法：實(shí)驗(yàn)研究：采用干紡工藝制備石墨烯纖維，精確控制各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如紡絲液的配制、紡絲設(shè)備的操作條件等，以獲得不同結(jié)構(gòu)和性能的石墨烯纖維樣品。利用多種材料表征手段，對(duì)制備的石墨烯纖維進(jìn)行全面的微觀結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試。通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定纖維的力學(xué)性能，采用四探針?lè)y(cè)量纖維的電學(xué)性能，運(yùn)用激光閃光法測(cè)試?yán)w維的熱學(xué)性能等。設(shè)計(jì)并搭建電熱性能測(cè)試平臺(tái)，研究石墨烯纖維在不同條件下的電熱性能。在智能加熱應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，將石墨烯纖維制成加熱器件，測(cè)試其在不同電壓、電流下的發(fā)熱性能和溫度變化規(guī)律。在電子器件散熱實(shí)驗(yàn)中，模擬電子器件的工作環(huán)境，測(cè)試石墨烯纖維散熱片的散熱效果。理論分析：基于材料科學(xué)、物理學(xué)等相關(guān)理論，深入分析干紡制備過(guò)程中石墨烯纖維的形成機(jī)制，以及纖維結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。運(yùn)用固體物理中的電子理論，解釋石墨烯纖維的電學(xué)性能和電熱轉(zhuǎn)換機(jī)制。通過(guò)力學(xué)理論，分析纖維的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能的影響。建立理論模型，對(duì)石墨烯纖維的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。例如，利用能帶理論解釋石墨烯纖維的電導(dǎo)率與電子遷移率之間的關(guān)系。通過(guò)彈性力學(xué)理論，分析石墨烯片層的取向和堆疊方式對(duì)纖維拉伸強(qiáng)度和楊氏模量的影響。模擬計(jì)算：運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬、有限元分析等計(jì)算方法，對(duì)石墨烯纖維的制備過(guò)程和性能進(jìn)行模擬研究。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究紡絲過(guò)程中石墨烯片層的動(dòng)態(tài)行為，如排列、取向和聚集過(guò)程，預(yù)測(cè)纖維的微觀結(jié)構(gòu)。利用有限元分析方法，模擬石墨烯纖維在電熱過(guò)程中的溫度分布、電場(chǎng)分布和應(yīng)力分布，深入探究電熱性能的影響因素和作用機(jī)制。模擬結(jié)果將與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，為優(yōu)化制備工藝和提高纖維性能提供依據(jù)。比如，在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，設(shè)置不同的初始條件和相互作用參數(shù)，模擬石墨烯片層在紡絲液中的運(yùn)動(dòng)和聚集過(guò)程，分析紡絲參數(shù)對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的影響。在有限元分析中，建立石墨烯纖維的電熱模型，輸入實(shí)驗(yàn)測(cè)得的材料參數(shù)，模擬其在不同工況下的電熱性能，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論支持和優(yōu)化方向。二、石墨烯纖維干紡制備原理2.1干紡法基本原理干紡法，作為化學(xué)纖維主要紡絲方法之一，簡(jiǎn)稱(chēng)干紡。其基本原理是基于溶液紡絲的基礎(chǔ)，將聚合物溶解在揮發(fā)性溶劑中，形成具有一定濃度和粘度的紡絲溶液。這一過(guò)程與普通溶液紡絲類(lèi)似，但關(guān)鍵在于后續(xù)的纖維成型步驟。當(dāng)紡絲溶液通過(guò)噴絲頭毛細(xì)孔被擠出時(shí)，形成的紡絲液細(xì)流并非像濕法紡絲那樣進(jìn)入凝固浴，而是進(jìn)入紡絲甬道。在紡絲甬道中，熱空氣流發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它促使原液細(xì)流中的溶劑快速揮發(fā)。隨著溶劑的不斷揮發(fā)，溶劑蒸汽被熱空氣流及時(shí)帶走，原液細(xì)流中的高聚物濃度逐漸增大，當(dāng)濃度達(dá)到某一臨界值時(shí)，原液便發(fā)生固化。與此同時(shí)，在卷繞張力的作用下，固化的纖維不斷被拉伸，從而伸長(zhǎng)變細(xì)，最終形成初生纖維。在干紡過(guò)程中，溶劑從紡絲液細(xì)流中脫除的過(guò)程較為復(fù)雜，主要通過(guò)以下三步實(shí)現(xiàn)：首先，原液一出噴絲孔便立即發(fā)生快速揮發(fā)，即閃蒸。這是因?yàn)閲娊z孔處的壓力突然降低，溶劑的沸點(diǎn)隨之下降，從而導(dǎo)致部分溶劑迅速氣化揮發(fā)。隨后，溶劑從原液細(xì)流內(nèi)部向外擴(kuò)散。在這個(gè)過(guò)程中，溶劑分子在濃度差的驅(qū)動(dòng)下，從高濃度的細(xì)流內(nèi)部向低濃度的表面移動(dòng)。最后，溶劑從細(xì)流表面向周?chē)鷼怏w介質(zhì)作對(duì)流傳質(zhì)。此時(shí)，熱空氣流不斷帶走表面的溶劑蒸汽，維持了溶劑的濃度梯度，保證了傳質(zhì)過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行。在靠近噴絲頭的一段紡程上，傳質(zhì)過(guò)程是閃蒸、對(duì)流和擴(kuò)散的綜合作用，而隨著紡程的推進(jìn)，純擴(kuò)散逐漸成為控制傳質(zhì)過(guò)程速率的主要因素。干紡過(guò)程中，紡絲原液與周?chē)鷼怏w介質(zhì)之間僅存在傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，不發(fā)生任何化學(xué)變化，這使得干紡法能夠較好地保持聚合物的原有化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能。紡絲速度主要取決于溶劑揮發(fā)的速度，為了提高紡絲速度，通常在聚合物的溶解度和紡絲液粘度許可的條件下，盡可能提高原液濃度，并選擇沸點(diǎn)較低和蒸發(fā)潛熱較小的溶劑。這樣可以減少紡絲原液轉(zhuǎn)化為纖維所需揮發(fā)的溶劑量，降低熱能消耗，進(jìn)而提高紡絲速度。目前生產(chǎn)中，干紡的紡絲速度一般為100-500米/分，在增加甬道長(zhǎng)度或紡制細(xì)纖維時(shí)，紡速可提高至700-1500米/分。此外，干紡時(shí)紡絲原液的濃度和粘度都比相應(yīng)的濕法紡絲原液為高，這也對(duì)紡絲設(shè)備和工藝提出了更高的要求。干紡法的特點(diǎn)使其在某些情況下具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。與熔紡相比，干紡適合于加工分解溫度低于熔點(diǎn)或加熱時(shí)易變色、但能溶解在適當(dāng)溶劑中的成纖高聚物。對(duì)于既能用干紡又能用濕紡成形的纖維，干紡一般更適于紡制長(zhǎng)絲。然而，干紡也存在一些不足之處，如需要有配制紡絲溶液和溶劑回收工序，輔助設(shè)備較多，投資通常比濕紡貴。但由于其紡絲速度較高且所得纖維的結(jié)構(gòu)較致密，物理機(jī)械性能和染色性也較好，干紡法在高性能纖維的制備中仍然具有重要的地位。將干紡法應(yīng)用于石墨烯纖維的制備時(shí)，其原理與上述干紡法基本原理一致，但又具有石墨烯材料自身的特性。石墨烯不能熔融，且內(nèi)部的大π鍵促使其容易發(fā)生聚集，難以形成均一的分散液。為了解決這一問(wèn)題，通常采用氧化石墨烯（GO）作為前驅(qū)體。氧化石墨烯是由鱗片石墨通過(guò)氧化插層過(guò)程得到的一種石墨烯衍生物，它在極性溶劑中具有良好的分散性，且可以很方便地還原為石墨烯，為石墨烯纖維的溶液加工提供了可能性。在干紡制備石墨烯纖維時(shí)，首先將氧化石墨烯溶解在合適的揮發(fā)性溶劑中，形成紡絲溶液。然后，通過(guò)噴絲頭將紡絲溶液擠出形成細(xì)流，進(jìn)入紡絲甬道。在熱空氣流的作用下，溶劑揮發(fā)，氧化石墨烯逐漸聚集、固化，形成初生的氧化石墨烯纖維。最后，通過(guò)化學(xué)還原等方法將氧化石墨烯纖維還原為石墨烯纖維。在這個(gè)過(guò)程中，溶劑的選擇、紡絲溶液的濃度和粘度、熱空氣流的溫度和流速等參數(shù)都會(huì)對(duì)石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要影響。合適的溶劑應(yīng)既能使氧化石墨烯充分溶解，又具有較低的沸點(diǎn)和較小的蒸發(fā)潛熱，以便在紡絲甬道中快速揮發(fā)。紡絲溶液的濃度和粘度則需要根據(jù)氧化石墨烯的性質(zhì)和紡絲設(shè)備的要求進(jìn)行優(yōu)化，以確保紡絲過(guò)程的穩(wěn)定性和纖維的質(zhì)量。熱空氣流的溫度和流速則直接影響溶劑的揮發(fā)速度和纖維的固化過(guò)程，進(jìn)而影響石墨烯纖維的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。2.2石墨烯纖維干紡制備的獨(dú)特原理在石墨烯纖維干紡制備過(guò)程中，氧化石墨烯（GO）作為關(guān)鍵前驅(qū)體，其在紡絲溶液中的組裝機(jī)制對(duì)于纖維的形成和性能起著決定性作用。氧化石墨烯是一種由石墨烯經(jīng)過(guò)氧化處理得到的衍生物，其表面和邊緣含有大量的含氧官能團(tuán)，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）和環(huán)氧基（-O-）等。這些含氧官能團(tuán)賦予了氧化石墨烯良好的親水性和在極性溶劑中的分散性，使其能夠在合適的溶劑中形成穩(wěn)定的分散液，為干紡制備石墨烯纖維提供了基礎(chǔ)。當(dāng)氧化石墨烯分散液通過(guò)噴絲頭被擠出進(jìn)入紡絲甬道后，在熱空氣流的作用下，溶劑迅速揮發(fā)。隨著溶劑的揮發(fā)，氧化石墨烯片層之間的距離逐漸減小，片層間的相互作用逐漸增強(qiáng)。在這個(gè)過(guò)程中，氧化石墨烯片層會(huì)發(fā)生一系列的動(dòng)態(tài)變化，逐漸從無(wú)序的分散狀態(tài)向有序排列轉(zhuǎn)變。具體而言，由于溶劑揮發(fā)導(dǎo)致的濃度梯度和表面張力的作用，氧化石墨烯片層會(huì)受到各種力的作用，包括范德華力、靜電相互作用、氫鍵作用等。這些力相互競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同，促使氧化石墨烯片層沿著纖維軸向逐漸排列整齊，形成有序的結(jié)構(gòu)。在干紡過(guò)程中，通過(guò)精確控制紡絲條件，可以實(shí)現(xiàn)石墨烯片層的有序排列，從而形成高質(zhì)量的石墨烯纖維。紡絲液濃度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響著氧化石墨烯片層之間的相互作用和排列方式。當(dāng)紡絲液濃度較低時(shí)，氧化石墨烯片層在溶液中較為分散，相互之間的距離較大，作用力較弱。在紡絲過(guò)程中，片層的排列相對(duì)無(wú)序，難以形成緊密有序的纖維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致所得纖維的力學(xué)性能和電學(xué)性能較差。相反，當(dāng)紡絲液濃度過(guò)高時(shí)，溶液的粘度增大，流動(dòng)性變差，不利于紡絲過(guò)程的進(jìn)行，且可能導(dǎo)致片層的過(guò)度聚集，同樣影響纖維的質(zhì)量。因此，需要找到一個(gè)合適的紡絲液濃度范圍，使得氧化石墨烯片層既能在溶液中保持一定的分散性，又能在紡絲過(guò)程中有效地相互作用，實(shí)現(xiàn)有序排列。有研究表明，對(duì)于氧化石墨烯紡絲液，當(dāng)濃度在一定范圍內(nèi)，如3-5mg/mL時(shí)，能夠較好地平衡片層的分散與聚集，制備出性能優(yōu)良的石墨烯纖維。在這個(gè)濃度下，氧化石墨烯片層之間的相互作用適中，在溶劑揮發(fā)過(guò)程中，片層能夠在各種力的作用下逐漸排列整齊，形成緊密有序的纖維結(jié)構(gòu)，從而提高纖維的力學(xué)強(qiáng)度和導(dǎo)電性。紡絲溫度對(duì)石墨烯片層的排列也有著重要影響。較高的紡絲溫度能夠加快溶劑的揮發(fā)速度，使氧化石墨烯片層更快地聚集和排列。同時(shí)，高溫還可能影響片層間的相互作用，如增強(qiáng)范德華力和靜電相互作用，促進(jìn)片層的有序排列。但過(guò)高的溫度也可能導(dǎo)致氧化石墨烯片層的結(jié)構(gòu)損傷，破壞其原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能，從而降低纖維的質(zhì)量。較低的紡絲溫度則會(huì)使溶劑揮發(fā)速度變慢，紡絲過(guò)程效率降低，且可能導(dǎo)致片層排列不夠緊密和有序。因此，選擇合適的紡絲溫度對(duì)于實(shí)現(xiàn)石墨烯片層的有序排列至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，紡絲溫度可控制在100-150℃之間，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，既能保證溶劑的快速揮發(fā)，又能避免對(duì)氧化石墨烯片層結(jié)構(gòu)造成過(guò)大的損害，有利于形成高質(zhì)量的石墨烯纖維。在120℃的紡絲溫度下，溶劑能夠迅速揮發(fā)，氧化石墨烯片層在熱空氣流的作用下，能夠有序地排列和堆積，形成具有較高取向度和緊密結(jié)構(gòu)的石墨烯纖維，其力學(xué)性能和電學(xué)性能都得到了顯著提升。紡絲速度同樣是影響石墨烯片層排列的重要因素。較快的紡絲速度會(huì)使氧化石墨烯分散液在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)紡絲甬道，溶劑揮發(fā)和片層排列的時(shí)間較短。在這種情況下，如果其他條件不合適，可能導(dǎo)致片層排列不夠充分，纖維結(jié)構(gòu)不夠均勻，從而影響纖維的性能。而較慢的紡絲速度雖然可以給片層排列提供更多的時(shí)間，但也可能導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，且在長(zhǎng)時(shí)間的紡絲過(guò)程中，可能會(huì)引入更多的雜質(zhì)和缺陷。因此，需要根據(jù)紡絲液的性質(zhì)、紡絲設(shè)備的特點(diǎn)等因素，合理選擇紡絲速度，以實(shí)現(xiàn)石墨烯片層的最佳排列。對(duì)于特定的干紡設(shè)備和氧化石墨烯紡絲液，紡絲速度控制在5-10m/min時(shí)，能夠在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，使氧化石墨烯片層在紡絲過(guò)程中充分排列，制備出性能良好的石墨烯纖維。在這個(gè)紡絲速度下，氧化石墨烯片層有足夠的時(shí)間在熱空氣流的作用下進(jìn)行有序排列，同時(shí)又能滿足一定的生產(chǎn)需求，所得纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)較為理想。噴頭孔徑也會(huì)對(duì)石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。較小的噴頭孔徑會(huì)使紡絲液細(xì)流受到更大的剪切力，有助于氧化石墨烯片層的取向排列。在較小的孔徑下，紡絲液細(xì)流在擠出時(shí)受到的剪切作用更強(qiáng)，這種剪切力能夠促使氧化石墨烯片層沿著細(xì)流的軸向方向排列，從而提高纖維中片層的取向度。然而，過(guò)小的噴頭孔徑也容易導(dǎo)致紡絲液堵塞，影響紡絲的連續(xù)性。較大的噴頭孔徑則會(huì)使紡絲液細(xì)流受到的剪切力較小，片層的取向排列效果可能較差，纖維的結(jié)構(gòu)相對(duì)不夠緊密。因此，需要根據(jù)紡絲液的粘度、濃度等性質(zhì)，選擇合適的噴頭孔徑，以獲得理想的纖維結(jié)構(gòu)。對(duì)于粘度適中的氧化石墨烯紡絲液，噴頭孔徑選擇在0.1-0.3mm時(shí)，能夠在保證紡絲順暢的同時(shí)，使氧化石墨烯片層在剪切力的作用下實(shí)現(xiàn)較好的取向排列，制備出結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)良的石墨烯纖維。在這個(gè)噴頭孔徑下，紡絲液能夠順利擠出，同時(shí)片層在剪切力的作用下，沿著纖維軸向有序排列，形成的纖維具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和良好的電學(xué)性能。通過(guò)對(duì)這些紡絲條件的精細(xì)調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯片層在干紡過(guò)程中的有序排列，從而制備出具有優(yōu)異性能的石墨烯纖維。這種對(duì)石墨烯片層排列的精確控制，為石墨烯纖維在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使其能夠充分發(fā)揮出石墨烯材料的優(yōu)異特性。2.3與其他制備方法的原理對(duì)比在石墨烯纖維的制備領(lǐng)域，除了干紡法，濕法紡絲和靜電紡絲也是較為常見(jiàn)的制備方法。這些方法在原理上各有特點(diǎn)，與干紡法存在著顯著的優(yōu)勢(shì)與差異。濕法紡絲是將聚合物溶于溶劑中，通過(guò)噴絲孔噴出細(xì)流，進(jìn)入凝固浴形成纖維的化學(xué)纖維紡絲方法。在石墨烯纖維的濕法紡制中，將具有一定黏度的氧化石墨烯（GO）分散液在氣壓泵的作用下經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，在噴絲口處均勻定量地注入到凝固浴中，在雙擴(kuò)散機(jī)制的作用下，原液細(xì)流中的溶劑向凝固浴液擴(kuò)散，浴液中的沉淀劑向細(xì)流擴(kuò)散，這種雙擴(kuò)散使原液細(xì)流達(dá)到臨界濃度，聚合物于凝固浴液中析出而形成初生絲條。之后進(jìn)行牽伸處理，經(jīng)過(guò)洗滌槽進(jìn)一步固化，初步形成GO纖維，再經(jīng)過(guò)干燥箱干燥去除溶劑以及高溫?zé)Y(jié)等工藝得到成品石墨烯纖維。與干紡法相比，濕法紡絲的原理差異主要體現(xiàn)在纖維的凝固方式上。干紡法是通過(guò)熱空氣流使溶劑揮發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)纖維的固化，而濕法紡絲則是依靠凝固浴中的雙擴(kuò)散和相轉(zhuǎn)變過(guò)程來(lái)完成纖維的成型。這導(dǎo)致濕法紡絲的紡絲速度相對(duì)較低，一般在15-150m/min范圍內(nèi)，因?yàn)槠涫艿饺軇┖湍虅┑碾p擴(kuò)散速度以及凝固浴液的流體阻力等因素的限制。而干紡的紡絲速度通常較高，一般為100-500米/分，增加甬道長(zhǎng)度或紡制細(xì)纖維時(shí)，紡速可提高至700-1500米/分。在纖維結(jié)構(gòu)方面，濕法紡絲得到的初生纖維由于含有大量凝固浴液而處于溶脹狀態(tài)，大分子具有很大的活動(dòng)性，其取向度很低，片層排布較為紊亂，需要經(jīng)過(guò)拉伸處理來(lái)提高片層取向度和堆積密度。而干紡法在紡絲過(guò)程中，通過(guò)精確控制紡絲條件，如紡絲液濃度、溫度、速度和噴頭孔徑等，可以使石墨烯片層在纖維軸向?qū)崿F(xiàn)較好的有序排列，形成相對(duì)緊密和有序的纖維結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上提高纖維的力學(xué)性能和電學(xué)性能。有研究對(duì)比了濕法紡絲和干紡法制備的石墨烯纖維，發(fā)現(xiàn)干紡法制備的纖維中石墨烯片層的取向度更高，纖維的拉伸強(qiáng)度和電導(dǎo)率也相對(duì)較高。在濕法紡絲制備的石墨烯纖維中，由于凝固浴的影響，纖維內(nèi)部可能會(huì)殘留一些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)影響纖維的性能。而干紡法在制備過(guò)程中，紡絲原液與周?chē)鷼怏w介質(zhì)之間只有傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，不發(fā)生任何化學(xué)變化，相對(duì)來(lái)說(shuō)纖維的純度更高，性能更穩(wěn)定。靜電紡絲則是通過(guò)靜電力將石墨烯分散在液體中并紡絲成纖維。在制備石墨烯納米纖維時(shí)，通常會(huì)添加少量高分子量聚合物作為瞬態(tài)拉伸穩(wěn)定劑，以實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯分散體的較好拉伸性能和穩(wěn)定的靜電紡絲。與干紡法相比，靜電紡絲的原理優(yōu)勢(shì)在于可以制備出直徑在納米級(jí)別的纖維，如通過(guò)靜電紡絲制備的石墨烯納米纖維直徑可在100-900nm之間，這是干紡法較難實(shí)現(xiàn)的。這種納米級(jí)別的纖維具有高比表面積，在一些對(duì)材料比表面積要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，如傳感器、催化劑載體等，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，靜電紡絲也存在一些局限性。由于需要在高電壓下進(jìn)行紡絲，設(shè)備成本相對(duì)較高，且生產(chǎn)效率較低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。在纖維結(jié)構(gòu)和性能方面，靜電紡絲制備的纖維通常比較細(xì)且脆弱，力學(xué)性能相對(duì)較差。而干紡法制備的石墨烯纖維在力學(xué)性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)，通過(guò)合理調(diào)控紡絲參數(shù)，可以制備出具有較高強(qiáng)度和模量的纖維，更適合一些對(duì)力學(xué)性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如航空航天、結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域。靜電紡絲過(guò)程中，由于電場(chǎng)的作用，纖維的取向和排列相對(duì)較難控制，而干紡法可以通過(guò)對(duì)紡絲條件的精確控制，實(shí)現(xiàn)石墨烯片層在纖維軸向的有序排列，從而提高纖維的性能。干紡法在制備石墨烯纖維時(shí)，與濕法紡絲和靜電紡絲相比，在原理上具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和差異。這些差異決定了不同制備方法所制備的石墨烯纖維在結(jié)構(gòu)和性能上的特點(diǎn)，也為根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇合適的制備方法提供了依據(jù)。三、石墨烯纖維干紡制備工藝流程3.1原料準(zhǔn)備在石墨烯纖維干紡制備過(guò)程中，原料的選擇與預(yù)處理至關(guān)重要，直接影響著最終纖維的結(jié)構(gòu)和性能。氧化石墨烯（GO）作為制備石墨烯纖維的關(guān)鍵前驅(qū)體，其質(zhì)量和特性對(duì)纖維制備起著決定性作用。高質(zhì)量的氧化石墨烯應(yīng)具有較高的氧化程度，這使得其表面和邊緣含有豐富的含氧官能團(tuán)，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）和環(huán)氧基（-O-）等。這些含氧官能團(tuán)賦予氧化石墨烯良好的親水性和在極性溶劑中的分散性，是形成穩(wěn)定紡絲溶液的基礎(chǔ)。在選擇氧化石墨烯時(shí)，通常會(huì)關(guān)注其片層尺寸、層數(shù)以及氧化程度的均勻性。較大的片層尺寸有利于在紡絲過(guò)程中形成有序的排列結(jié)構(gòu)，提高纖維的力學(xué)性能和電學(xué)性能。例如，有研究表明，當(dāng)氧化石墨烯片層尺寸在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，制備出的石墨烯纖維的拉伸強(qiáng)度和電導(dǎo)率會(huì)相應(yīng)提高。而層數(shù)較少的氧化石墨烯，能夠減少片層間的界面電阻，有利于電子的傳輸，從而提升纖維的電學(xué)性能。為確保氧化石墨烯的質(zhì)量，在使用前常需進(jìn)行預(yù)處理。一般采用離心分離的方法去除其中的雜質(zhì)和未完全氧化的石墨顆粒，以保證紡絲溶液的純凈度。將氧化石墨烯分散液進(jìn)行高速離心，使雜質(zhì)和較重的顆粒沉降到離心管底部，然后小心地吸取上層清液，得到較為純凈的氧化石墨烯溶液。還可通過(guò)透析的方法進(jìn)一步去除溶液中的小分子雜質(zhì)，提高氧化石墨烯的純度，為后續(xù)的紡絲過(guò)程提供高質(zhì)量的前驅(qū)體。溶劑的選擇同樣關(guān)鍵，它需要滿足能夠充分溶解氧化石墨烯，形成均勻穩(wěn)定的紡絲溶液，同時(shí)應(yīng)具有較低的沸點(diǎn)和較小的蒸發(fā)潛熱，以便在干紡過(guò)程中能夠快速揮發(fā)，促進(jìn)纖維的成型。常見(jiàn)的用于溶解氧化石墨烯的溶劑有水、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）等。水是一種綠色環(huán)保且成本較低的溶劑，對(duì)氧化石墨烯具有一定的溶解性，在許多研究中被廣泛應(yīng)用。然而，水的沸點(diǎn)相對(duì)較高，在干紡過(guò)程中揮發(fā)速度較慢，可能會(huì)影響紡絲效率和纖維的質(zhì)量。DMF和NMP等有機(jī)溶劑對(duì)氧化石墨烯的溶解性較好，且沸點(diǎn)相對(duì)較低，能夠在紡絲甬道中快速揮發(fā)，有利于提高紡絲速度和纖維的成型質(zhì)量。但這些有機(jī)溶劑存在毒性和環(huán)境污染等問(wèn)題，在使用過(guò)程中需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施和回收處理。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮溶劑的溶解性、揮發(fā)性、成本以及環(huán)保等因素，選擇最合適的溶劑。有時(shí)也會(huì)采用混合溶劑的方式，結(jié)合不同溶劑的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化紡絲溶液的性能。例如，將水與少量的DMF混合，既可以保證氧化石墨烯的溶解效果，又能在一定程度上改善溶劑的揮發(fā)性能，提高紡絲效率。為了進(jìn)一步優(yōu)化石墨烯纖維的性能，有時(shí)會(huì)添加一些添加劑。添加劑的種類(lèi)繁多，作用各異。在改善氧化石墨烯分散性方面，常添加表面活性劑。表面活性劑分子具有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，能夠吸附在氧化石墨烯片層表面，降低片層之間的表面張力，從而提高其在溶劑中的分散穩(wěn)定性。如十二烷基硫酸鈉（SDS）等陰離子表面活性劑，能夠通過(guò)靜電作用吸附在氧化石墨烯片層表面，有效地防止片層的團(tuán)聚，使氧化石墨烯在溶劑中保持均勻分散的狀態(tài)，有利于紡絲過(guò)程中形成均勻的纖維結(jié)構(gòu)。在提高纖維力學(xué)性能方面，可添加一些增強(qiáng)劑。碳納米管（CNTs）具有優(yōu)異的力學(xué)性能，將其與氧化石墨烯復(fù)合，能夠在纖維內(nèi)部形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)纖維的力學(xué)性能。碳納米管與氧化石墨烯之間通過(guò)π-π相互作用等方式結(jié)合，在受力時(shí)能夠共同承擔(dān)載荷，從而提高纖維的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量。有研究表明，添加適量碳納米管的石墨烯纖維，其拉伸強(qiáng)度可提高30%以上。還有一些添加劑可用于改善纖維的電學(xué)性能、熱學(xué)性能等。在添加添加劑時(shí)，需要嚴(yán)格控制其種類(lèi)和用量，因?yàn)椴划?dāng)?shù)奶砑涌赡軙?huì)引入雜質(zhì)，影響纖維的性能。添加劑的用量過(guò)多可能會(huì)導(dǎo)致纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的紊亂，降低纖維的性能；而用量過(guò)少則可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的改性效果。因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化添加劑的種類(lèi)和用量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯纖維性能的有效調(diào)控。3.2紡絲液的制備紡絲液的制備是石墨烯纖維干紡制備過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響著后續(xù)紡絲過(guò)程的穩(wěn)定性以及最終纖維的性能。制備紡絲液時(shí)，首先需將氧化石墨烯（GO）與選定的溶劑進(jìn)行充分混合，以形成均勻穩(wěn)定的分散體系。這一過(guò)程通常借助超聲分散和磁力攪拌等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲分散利用超聲波的空化效應(yīng)，在液體中產(chǎn)生微小的氣泡，這些氣泡在迅速膨脹和破裂的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和微射流，從而有效地打破氧化石墨烯片層之間的團(tuán)聚，使其均勻分散在溶劑中。一般來(lái)說(shuō)，超聲分散的時(shí)間和功率對(duì)分散效果有著顯著影響。適當(dāng)延長(zhǎng)超聲時(shí)間，能夠使氧化石墨烯片層與溶劑充分接觸，進(jìn)一步提高分散的均勻性。但過(guò)長(zhǎng)的超聲時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致氧化石墨烯片層的結(jié)構(gòu)損傷，影響纖維的性能。超聲功率也需控制在合適范圍內(nèi)，功率過(guò)低無(wú)法有效分散氧化石墨烯，功率過(guò)高則可能破壞其結(jié)構(gòu)。有研究表明，對(duì)于濃度為3mg/mL的氧化石墨烯水溶液，在超聲功率為200W的條件下，超聲分散30min，能夠獲得較為均勻的分散液，此時(shí)氧化石墨烯片層在溶液中均勻分布，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少。磁力攪拌則是通過(guò)攪拌子在磁場(chǎng)作用下的旋轉(zhuǎn)，使溶液產(chǎn)生流動(dòng)，促進(jìn)氧化石墨烯與溶劑的混合。在攪拌過(guò)程中，攪拌速度和時(shí)間同樣需要精確控制。攪拌速度過(guò)慢，溶液混合不均勻，無(wú)法達(dá)到良好的分散效果；攪拌速度過(guò)快，可能會(huì)引入過(guò)多的氣泡，影響紡絲液的質(zhì)量。攪拌時(shí)間過(guò)短，氧化石墨烯不能充分分散；攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅浪費(fèi)時(shí)間和能源，還可能導(dǎo)致溶液中的雜質(zhì)增多。通常，在超聲分散后，再進(jìn)行磁力攪拌1-2h，能夠進(jìn)一步提高氧化石墨烯的分散穩(wěn)定性。在磁力攪拌過(guò)程中，還可以觀察溶液的狀態(tài)，當(dāng)溶液變得均勻透明，無(wú)明顯沉淀和團(tuán)聚現(xiàn)象時(shí)，說(shuō)明分散效果較好。紡絲液的濃度對(duì)石墨烯纖維的性能有著至關(guān)重要的影響。不同的紡絲液濃度會(huì)導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)和性能的顯著差異。當(dāng)紡絲液濃度較低時(shí)，氧化石墨烯片層在溶液中較為分散，相互之間的作用力較弱。在紡絲過(guò)程中，這些片層難以緊密堆積和有序排列，形成的纖維結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，存在較多的孔隙和缺陷。這種疏松的結(jié)構(gòu)使得纖維的力學(xué)性能較差，拉伸強(qiáng)度和楊氏模量較低。由于片層之間的接觸不夠緊密，電子傳輸受到阻礙，纖維的電學(xué)性能也不理想，電導(dǎo)率較低。有研究表明，當(dāng)紡絲液濃度為1mg/mL時(shí)，制備出的石墨烯纖維拉伸強(qiáng)度僅為100MPa左右，電導(dǎo)率為10S/cm左右。隨著紡絲液濃度的增加，氧化石墨烯片層之間的距離減小，相互作用力增強(qiáng)，在紡絲過(guò)程中能夠更緊密地堆積和有序排列。這使得纖維的結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙和缺陷減少，從而提高了纖維的力學(xué)性能和電學(xué)性能。當(dāng)紡絲液濃度提高到5mg/mL時(shí)，石墨烯纖維的拉伸強(qiáng)度可提升至300MPa以上，電導(dǎo)率也能達(dá)到50S/cm以上。但如果紡絲液濃度過(guò)高，溶液的粘度過(guò)大，流動(dòng)性變差，會(huì)給紡絲過(guò)程帶來(lái)困難。過(guò)高的粘度會(huì)導(dǎo)致紡絲液在噴絲頭處難以順利擠出，甚至可能造成噴絲頭堵塞，影響紡絲的連續(xù)性和穩(wěn)定性。因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，找到適合特定干紡設(shè)備和工藝的紡絲液濃度，以獲得性能優(yōu)良的石墨烯纖維。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于常見(jiàn)的干紡制備工藝，紡絲液濃度在3-5mg/mL范圍內(nèi)，能夠較好地平衡纖維的結(jié)構(gòu)和性能，制備出質(zhì)量較高的石墨烯纖維。紡絲液的穩(wěn)定性也是影響纖維制備的重要因素。穩(wěn)定的紡絲液能夠保證在紡絲過(guò)程中氧化石墨烯片層的均勻分散，避免出現(xiàn)團(tuán)聚和沉淀現(xiàn)象，從而確保纖維質(zhì)量的一致性。為提高紡絲液的穩(wěn)定性，可以采取多種措施。除了前面提到的超聲分散和磁力攪拌外，添加適量的穩(wěn)定劑也是一種有效的方法。一些表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉（SDS）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等，能夠吸附在氧化石墨烯片層表面，降低片層之間的表面張力，防止片層的團(tuán)聚，從而提高紡絲液的穩(wěn)定性。SDS的親水基團(tuán)能夠與溶劑相互作用，疏水基團(tuán)則與氧化石墨烯片層表面結(jié)合，形成一層保護(hù)膜，有效阻止片層的聚集。但需要注意的是，穩(wěn)定劑的添加量要適當(dāng)，過(guò)多的穩(wěn)定劑可能會(huì)引入雜質(zhì)，影響纖維的性能；過(guò)少則無(wú)法達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定效果。儲(chǔ)存條件對(duì)紡絲液的穩(wěn)定性也有影響。紡絲液應(yīng)儲(chǔ)存在陰涼、干燥的環(huán)境中，避免陽(yáng)光直射和高溫，以防止氧化石墨烯片層的聚集和溶劑的揮發(fā)。在儲(chǔ)存過(guò)程中，還可以定期對(duì)紡絲液進(jìn)行攪拌，以保持其均勻性。通過(guò)這些措施，可以提高紡絲液的穩(wěn)定性，為制備高質(zhì)量的石墨烯纖維提供保障。3.3干紡過(guò)程在完成紡絲液的精心制備后，便進(jìn)入了關(guān)鍵的干紡環(huán)節(jié)。干紡過(guò)程主要涵蓋紡絲液的擠出以及纖維的固化這兩個(gè)重要階段，其中諸多工藝參數(shù)對(duì)石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)與性能有著顯著影響。紡絲液的擠出過(guò)程在整個(gè)干紡工藝中起著基礎(chǔ)性作用。當(dāng)紡絲液通過(guò)噴絲頭的毛細(xì)孔被擠出時(shí)，便形成了紡絲液細(xì)流。在這一過(guò)程中，噴絲頭的結(jié)構(gòu)和噴頭孔徑是關(guān)鍵因素。噴絲頭作為紡絲液擠出的關(guān)鍵部件，其內(nèi)部的流道設(shè)計(jì)會(huì)影響紡絲液的流動(dòng)狀態(tài)和擠出的均勻性。合理的流道設(shè)計(jì)應(yīng)保證紡絲液在噴絲頭內(nèi)能夠均勻分布，避免出現(xiàn)局部流速過(guò)快或過(guò)慢的情況，從而確保擠出的紡絲液細(xì)流具有良好的穩(wěn)定性和一致性。噴頭孔徑的大小則直接決定了紡絲液細(xì)流的初始直徑。較小的噴頭孔徑會(huì)使紡絲液細(xì)流受到更大的剪切力，這有助于氧化石墨烯片層的取向排列。在較小的孔徑下，紡絲液細(xì)流在擠出時(shí)受到的剪切作用更強(qiáng)，這種剪切力能夠促使氧化石墨烯片層沿著細(xì)流的軸向方向排列，從而提高纖維中片層的取向度。然而，過(guò)小的噴頭孔徑也容易導(dǎo)致紡絲液堵塞，影響紡絲的連續(xù)性。當(dāng)噴頭孔徑過(guò)小時(shí)，紡絲液的流動(dòng)阻力增大，可能會(huì)出現(xiàn)紡絲液無(wú)法順利擠出的情況，甚至?xí)?duì)噴絲頭造成損壞。較大的噴頭孔徑則會(huì)使紡絲液細(xì)流受到的剪切力較小，片層的取向排列效果可能較差，纖維的結(jié)構(gòu)相對(duì)不夠緊密。因此，需要根據(jù)紡絲液的粘度、濃度等性質(zhì)，選擇合適的噴頭孔徑，以獲得理想的纖維結(jié)構(gòu)。對(duì)于粘度適中的氧化石墨烯紡絲液，噴頭孔徑選擇在0.1-0.3mm時(shí)，能夠在保證紡絲順暢的同時(shí)，使氧化石墨烯片層在剪切力的作用下實(shí)現(xiàn)較好的取向排列，制備出結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)良的石墨烯纖維。在這個(gè)噴頭孔徑下，紡絲液能夠順利擠出，同時(shí)片層在剪切力的作用下，沿著纖維軸向有序排列，形成的纖維具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和良好的電學(xué)性能。纖維的固化是干紡過(guò)程的核心環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到石墨烯纖維的最終性能。擠出的紡絲液細(xì)流進(jìn)入紡絲甬道后，在熱空氣流的作用下，溶劑迅速揮發(fā)，纖維逐漸固化。熱空氣流的溫度和流速是影響纖維固化的重要因素。較高的熱空氣流溫度能夠加快溶劑的揮發(fā)速度，使纖維更快地固化。同時(shí)，高溫還可能影響氧化石墨烯片層間的相互作用，如增強(qiáng)范德華力和靜電相互作用，促進(jìn)片層的有序排列。但過(guò)高的溫度也可能導(dǎo)致氧化石墨烯片層的結(jié)構(gòu)損傷，破壞其原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能，從而降低纖維的質(zhì)量。過(guò)高的溫度可能會(huì)使氧化石墨烯片層上的含氧官能團(tuán)分解，影響片層之間的連接，進(jìn)而降低纖維的力學(xué)性能和電學(xué)性能。較低的熱空氣流溫度則會(huì)使溶劑揮發(fā)速度變慢，紡絲過(guò)程效率降低，且可能導(dǎo)致片層排列不夠緊密和有序。因此，選擇合適的熱空氣流溫度對(duì)于實(shí)現(xiàn)纖維的高質(zhì)量固化至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，熱空氣流溫度可控制在100-150℃之間，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，既能保證溶劑的快速揮發(fā)，又能避免對(duì)氧化石墨烯片層結(jié)構(gòu)造成過(guò)大的損害，有利于形成高質(zhì)量的石墨烯纖維。在120℃的熱空氣流溫度下，溶劑能夠迅速揮發(fā)，氧化石墨烯片層在熱空氣流的作用下，能夠有序地排列和堆積，形成具有較高取向度和緊密結(jié)構(gòu)的石墨烯纖維，其力學(xué)性能和電學(xué)性能都得到了顯著提升。熱空氣流的流速同樣對(duì)纖維固化有著重要影響。較快的流速能夠及時(shí)帶走溶劑蒸汽，維持溶劑的濃度梯度，保證傳質(zhì)過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，從而加快纖維的固化速度。但流速過(guò)快可能會(huì)對(duì)纖維產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致纖維變形甚至斷裂。當(dāng)熱空氣流流速過(guò)快時(shí)，纖維在甬道內(nèi)受到的氣流沖擊力增大，可能會(huì)使纖維的形態(tài)發(fā)生改變，影響其結(jié)構(gòu)的均勻性。較慢的流速則可能導(dǎo)致溶劑蒸汽在紡絲甬道內(nèi)積聚，降低溶劑的揮發(fā)效率，影響纖維的固化質(zhì)量。因此，需要根據(jù)紡絲設(shè)備的結(jié)構(gòu)和紡絲液的性質(zhì)，合理控制熱空氣流的流速，一般可將流速控制在0.5-2m/s之間。在這個(gè)流速范圍內(nèi)，熱空氣流能夠有效地帶走溶劑蒸汽，保證纖維的正常固化，同時(shí)又不會(huì)對(duì)纖維造成過(guò)大的沖擊，從而制備出性能穩(wěn)定的石墨烯纖維。紡絲速度也是干紡過(guò)程中不可忽視的參數(shù)。紡絲速度的快慢會(huì)影響纖維的成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率。較快的紡絲速度可以提高生產(chǎn)效率，但如果其他條件不合適，可能導(dǎo)致溶劑揮發(fā)不充分，纖維固化不完全，從而影響纖維的性能。在較快的紡絲速度下，紡絲液細(xì)流在紡絲甬道內(nèi)停留的時(shí)間較短，如果熱空氣流的溫度和流速不能與之匹配，溶劑可能無(wú)法充分揮發(fā)，纖維內(nèi)部會(huì)殘留較多的溶劑，導(dǎo)致纖維的力學(xué)性能和電學(xué)性能下降。而較慢的紡絲速度雖然可以給纖維的固化提供更多的時(shí)間，但也可能導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，且在長(zhǎng)時(shí)間的紡絲過(guò)程中，可能會(huì)引入更多的雜質(zhì)和缺陷。因此，需要根據(jù)紡絲液的性質(zhì)、紡絲設(shè)備的特點(diǎn)等因素，合理選擇紡絲速度，以實(shí)現(xiàn)纖維的高質(zhì)量制備和高效生產(chǎn)。對(duì)于特定的干紡設(shè)備和氧化石墨烯紡絲液，紡絲速度控制在5-10m/min時(shí)，能夠在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，使氧化石墨烯片層在紡絲過(guò)程中充分排列，制備出性能良好的石墨烯纖維。在這個(gè)紡絲速度下，氧化石墨烯片層有足夠的時(shí)間在熱空氣流的作用下進(jìn)行有序排列，同時(shí)又能滿足一定的生產(chǎn)需求，所得纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)較為理想。在干紡過(guò)程中，精確控制這些工藝參數(shù)，對(duì)于制備出結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)異的石墨烯纖維至關(guān)重要。通過(guò)不斷優(yōu)化干紡工藝，能夠進(jìn)一步提高石墨烯纖維的質(zhì)量和性能，為其在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.4后處理工序?qū)Ω杉徦玫氖├w維進(jìn)行后處理工序，是進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括還原、拉伸和熱處理等步驟，每個(gè)步驟都對(duì)纖維的最終性能有著獨(dú)特的影響。還原處理是將干紡得到的氧化石墨烯纖維轉(zhuǎn)化為石墨烯纖維的重要過(guò)程。在氧化石墨烯纖維中，大量的含氧官能團(tuán)，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）和環(huán)氧基（-O-）等，雖然賦予了其在極性溶劑中的良好分散性，但這些官能團(tuán)的存在也破壞了石墨烯片層的共軛結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致纖維的電學(xué)性能和熱學(xué)性能相對(duì)較低。通過(guò)還原處理，可以有效去除這些含氧官能團(tuán)，恢復(fù)石墨烯片層的共軛結(jié)構(gòu)，從而顯著提高纖維的電學(xué)性能和熱學(xué)性能。常用的還原方法有化學(xué)還原法和熱還原法?；瘜W(xué)還原法通常使用強(qiáng)還原劑，如氫碘酸（HI）、水合肼（N?H??H?O）等。以氫碘酸還原為例，將氧化石墨烯纖維浸入氫碘酸溶液中，在一定溫度下進(jìn)行反應(yīng)，氫碘酸中的碘離子具有強(qiáng)還原性，能夠與氧化石墨烯片層上的含氧官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其還原為碳原子，從而去除含氧官能團(tuán)，恢復(fù)石墨烯的共軛結(jié)構(gòu)。研究表明，經(jīng)過(guò)氫碘酸還原處理后，石墨烯纖維的電導(dǎo)率可從初始的10S/cm左右提升至100S/cm以上，提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這是因?yàn)楣曹椊Y(jié)構(gòu)的恢復(fù)使得電子在石墨烯片層間的傳輸更加順暢，降低了電阻。熱還原法則是在高溫下對(duì)氧化石墨烯纖維進(jìn)行處理，一般溫度在800-1000℃之間。在高溫作用下，氧化石墨烯片層上的含氧官能團(tuán)分解為水、二氧化碳等氣體逸出，實(shí)現(xiàn)石墨烯片層的還原。熱還原法不僅可以去除含氧官能團(tuán)，還能使石墨烯片層的結(jié)晶度提高，進(jìn)一步優(yōu)化纖維的結(jié)構(gòu)。通過(guò)熱還原處理的石墨烯纖維，其熱導(dǎo)率可提高30%以上，這是由于結(jié)晶度的提高有利于聲子的傳輸，從而增強(qiáng)了纖維的熱傳導(dǎo)性能。拉伸處理能夠有效改善石墨烯纖維的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)。在拉伸過(guò)程中，纖維受到外力作用，內(nèi)部的石墨烯片層會(huì)沿著纖維軸向進(jìn)一步取向排列，從而提高片層的取向度和堆積密度。當(dāng)石墨烯纖維受到拉伸時(shí)，原本相對(duì)無(wú)序排列的石墨烯片層會(huì)在拉力的作用下逐漸調(diào)整方向，趨向于與纖維軸向平行排列。這種有序排列增加了片層之間的相互作用力，如范德華力和π-π相互作用，使得纖維在受力時(shí)能夠更好地承受載荷，從而提高了纖維的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)拉伸處理的石墨烯纖維，其拉伸強(qiáng)度可提高50%以上，從初始的200MPa左右提升至300MPa以上。拉伸還可以減少纖維內(nèi)部的缺陷和孔隙，使纖維結(jié)構(gòu)更加致密。在拉伸過(guò)程中，一些原本存在于纖維內(nèi)部的微小孔隙和缺陷會(huì)被消除或減小，這有助于提高纖維的力學(xué)性能和電學(xué)性能。因?yàn)榭紫逗腿毕莸臏p少可以降低應(yīng)力集中點(diǎn)，提高纖維的力學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)也有利于電子的傳輸，降低電阻。熱處理是提升石墨烯纖維性能的重要后處理手段，通常在高溫下進(jìn)行，一般溫度范圍在1000-3000℃之間。在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，熱處理對(duì)石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)和性能有著多方面的優(yōu)化作用。高溫?zé)崽幚砜梢赃M(jìn)一步提高石墨烯片層的結(jié)晶度，使石墨烯片層中的碳原子排列更加規(guī)整，缺陷減少。隨著結(jié)晶度的提高，石墨烯片層的晶格結(jié)構(gòu)更加完善，這有利于電子和聲子的傳輸，從而顯著提高纖維的電學(xué)性能和熱學(xué)性能。經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，石墨烯纖維的電導(dǎo)率可提升至1×10?S/m以上，熱導(dǎo)率也能達(dá)到1000W/m?K以上，相比未處理的纖維有了大幅提升。熱處理還能增強(qiáng)石墨烯片層之間的結(jié)合力，使纖維的力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高。在高溫作用下，石墨烯片層之間的原子會(huì)發(fā)生擴(kuò)散和重排，形成更強(qiáng)的化學(xué)鍵和相互作用，從而增強(qiáng)了片層之間的結(jié)合力。這種增強(qiáng)的結(jié)合力使得纖維在承受外力時(shí)，片層之間不易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和分離，提高了纖維的拉伸強(qiáng)度和韌性。研究表明，經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚淼氖├w維，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)到1GPa以上，楊氏模量也能顯著提高，使其在結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。四、影響石墨烯纖維電熱性能的因素4.1纖維微觀結(jié)構(gòu)的影響石墨烯纖維的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其電熱性能有著至關(guān)重要的影響，其中石墨烯片層的排列方式、缺陷程度以及層數(shù)是幾個(gè)關(guān)鍵的微觀結(jié)構(gòu)因素。石墨烯片層的排列方式直接決定了纖維內(nèi)部的導(dǎo)電和導(dǎo)熱通道的形成。在理想狀態(tài)下，當(dāng)石墨烯片層沿著纖維軸向高度有序排列時(shí)，能夠形成連續(xù)且高效的導(dǎo)電和導(dǎo)熱通路。在這種排列方式下，電子在片層間的傳輸受到的阻礙較小，因?yàn)槠瑢娱g的π-π相互作用使得電子能夠較為順暢地在不同片層之間躍遷，從而提高了纖維的電導(dǎo)率。在高度有序排列的石墨烯纖維中，電子遷移率可提高50%以上，電導(dǎo)率也相應(yīng)大幅提升。對(duì)于熱傳導(dǎo)而言，有序排列的片層有利于聲子的傳輸。聲子是晶格振動(dòng)的量子化表現(xiàn)，在有序結(jié)構(gòu)中，聲子能夠更有效地傳遞能量，減少聲子散射，從而提高纖維的熱導(dǎo)率。研究表明，當(dāng)石墨烯片層取向度達(dá)到80%以上時(shí)，纖維的熱導(dǎo)率相比無(wú)序排列時(shí)可提高2-3倍。然而，若石墨烯片層排列紊亂，就會(huì)破壞導(dǎo)電和導(dǎo)熱通道的連續(xù)性。片層之間的接觸不良會(huì)增加電子傳輸?shù)碾娮?，?dǎo)致電導(dǎo)率下降。在無(wú)序排列的情況下，電子在遇到片層間的非理想接觸界面時(shí)，會(huì)發(fā)生散射，降低了電子的遷移率，進(jìn)而影響纖維的導(dǎo)電性能。片層的無(wú)序排列也會(huì)增加聲子散射的概率，使得熱傳導(dǎo)效率降低，熱導(dǎo)率下降。在一些片層排列紊亂的石墨烯纖維中，電導(dǎo)率可能會(huì)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，熱導(dǎo)率也會(huì)顯著降低。缺陷程度是影響石墨烯纖維電熱性能的另一個(gè)重要微觀結(jié)構(gòu)因素。在石墨烯纖維中，常見(jiàn)的缺陷包括單原子缺失、Stone-Wales位錯(cuò)等。這些缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響電子和聲子的傳輸。從電學(xué)性能角度來(lái)看，缺陷會(huì)成為電子散射的中心，阻礙電子的順利傳輸。當(dāng)電子遇到缺陷時(shí)，會(huì)發(fā)生散射，改變運(yùn)動(dòng)方向，從而增加了電子傳輸?shù)碾娮瑁档土穗妼?dǎo)率。有研究通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單原子缺陷濃度達(dá)到0.1%時(shí)，石墨烯纖維的電導(dǎo)率可降低約30%。隨著缺陷濃度的進(jìn)一步增加，電導(dǎo)率下降更為明顯。在熱傳導(dǎo)方面，缺陷同樣會(huì)對(duì)聲子產(chǎn)生散射作用。聲子在傳播過(guò)程中遇到缺陷時(shí)，能量會(huì)發(fā)生損失，導(dǎo)致聲子的平均自由程減小，熱導(dǎo)率降低。當(dāng)Stone-Wales位錯(cuò)濃度達(dá)到一定程度時(shí)，石墨烯纖維的熱導(dǎo)率可能會(huì)降低50%以上。缺陷還可能會(huì)影響石墨烯片層之間的相互作用，進(jìn)一步破壞纖維的微觀結(jié)構(gòu)，從而對(duì)電熱性能產(chǎn)生負(fù)面影響。層數(shù)對(duì)石墨烯纖維的電熱性能也有著顯著影響。隨著石墨烯片層層數(shù)的增加，纖維的電學(xué)性能和熱學(xué)性能都會(huì)發(fā)生變化。在電學(xué)性能方面，雖然多層石墨烯片層能夠提供更多的導(dǎo)電通道，但層間的相互作用和界面電阻也會(huì)隨之增加。當(dāng)層數(shù)較少時(shí)，如在1-3層的范圍內(nèi)，電子在片層間的傳輸相對(duì)較為順暢，層間的相互作用對(duì)電子傳輸?shù)淖璧K較小，此時(shí)增加層數(shù)可以在一定程度上提高電導(dǎo)率。但當(dāng)層數(shù)進(jìn)一步增加時(shí)，層間的界面電阻逐漸成為主導(dǎo)因素，過(guò)多的片層間界面會(huì)阻礙電子的傳輸，導(dǎo)致電導(dǎo)率不再隨層數(shù)的增加而上升，甚至出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)石墨烯片層層數(shù)超過(guò)10層時(shí)，電導(dǎo)率可能會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定甚至略有下降。在熱學(xué)性能方面，層數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致聲子在層間的散射增加。聲子在不同片層之間傳播時(shí)，會(huì)與片層界面發(fā)生相互作用，導(dǎo)致能量損失和散射，從而降低熱導(dǎo)率。當(dāng)層數(shù)從1層增加到5層時(shí)，石墨烯纖維的熱導(dǎo)率可能會(huì)降低20%-30%。隨著層數(shù)的繼續(xù)增加，熱導(dǎo)率下降的幅度雖然會(huì)逐漸減小，但總體趨勢(shì)仍然是隨著層數(shù)的增加而降低。石墨烯纖維的微觀結(jié)構(gòu)，包括石墨烯片層的排列方式、缺陷程度和層數(shù)，對(duì)其電熱性能有著復(fù)雜而重要的影響。深入理解這些微觀結(jié)構(gòu)因素與電熱性能之間的關(guān)系，對(duì)于優(yōu)化石墨烯纖維的制備工藝、提高其電熱性能具有重要意義。4.2制備工藝參數(shù)的影響制備工藝參數(shù)在石墨烯纖維的制備過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，對(duì)其電熱性能有著顯著的影響，其中紡絲液濃度、干紡溫度和拉伸速率是幾個(gè)重要的參數(shù)。紡絲液濃度對(duì)石墨烯纖維的電熱性能影響顯著。當(dāng)紡絲液濃度較低時(shí)，氧化石墨烯（GO）片層在溶液中較為分散，相互之間的距離較大，作用力較弱。在干紡過(guò)程中，這些片層難以緊密堆積和有序排列，形成的纖維結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，存在較多的孔隙和缺陷。這種疏松的結(jié)構(gòu)對(duì)電熱性能產(chǎn)生多方面的負(fù)面影響。在電學(xué)性能方面，由于片層之間的接觸不夠緊密，電子傳輸受到阻礙，導(dǎo)致纖維的電導(dǎo)率較低。研究表明，當(dāng)紡絲液濃度為1mg/mL時(shí)，制備出的石墨烯纖維電導(dǎo)率僅為10S/cm左右。在熱學(xué)性能方面，疏松的結(jié)構(gòu)增加了聲子散射的概率，使得熱傳導(dǎo)效率降低，熱導(dǎo)率下降。隨著紡絲液濃度的增加，GO片層之間的距離減小，相互作用力增強(qiáng)，在紡絲過(guò)程中能夠更緊密地堆積和有序排列。這使得纖維的結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙和缺陷減少，從而提高了纖維的電熱性能。當(dāng)紡絲液濃度提高到5mg/mL時(shí)，石墨烯纖維的電導(dǎo)率可提升至50S/cm以上，熱導(dǎo)率也能得到顯著提高。但如果紡絲液濃度過(guò)高，溶液的粘度過(guò)大，流動(dòng)性變差，會(huì)給紡絲過(guò)程帶來(lái)困難。過(guò)高的粘度會(huì)導(dǎo)致紡絲液在噴絲頭處難以順利擠出，甚至可能造成噴絲頭堵塞，影響紡絲的連續(xù)性和穩(wěn)定性。而且，過(guò)高濃度的紡絲液可能導(dǎo)致GO片層的過(guò)度聚集，形成不均勻的結(jié)構(gòu)，反而降低纖維的電熱性能。因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，找到適合特定干紡設(shè)備和工藝的紡絲液濃度，以獲得優(yōu)異的電熱性能。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于常見(jiàn)的干紡制備工藝，紡絲液濃度在3-5mg/mL范圍內(nèi)，能夠較好地平衡纖維的結(jié)構(gòu)和電熱性能，制備出質(zhì)量較高的石墨烯纖維。干紡溫度是影響石墨烯纖維電熱性能的另一個(gè)重要參數(shù)。在干紡過(guò)程中，紡絲液細(xì)流進(jìn)入紡絲甬道后，在熱空氣流的作用下，溶劑迅速揮發(fā)，纖維逐漸固化。熱空氣流的溫度對(duì)這一過(guò)程有著關(guān)鍵影響。較高的干紡溫度能夠加快溶劑的揮發(fā)速度，使纖維更快地固化。同時(shí)，高溫還可能影響GO片層間的相互作用，如增強(qiáng)范德華力和靜電相互作用，促進(jìn)片層的有序排列。這種有序排列有利于形成連續(xù)且高效的導(dǎo)電和導(dǎo)熱通道，從而提高纖維的電熱性能。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干紡溫度從100℃提高到120℃時(shí)，石墨烯纖維的電導(dǎo)率可提高30%左右，熱導(dǎo)率也能相應(yīng)提升。但過(guò)高的干紡溫度也可能導(dǎo)致GO片層的結(jié)構(gòu)損傷，破壞其原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能，從而降低纖維的電熱性能。過(guò)高的溫度可能會(huì)使GO片層上的含氧官能團(tuán)分解，影響片層之間的連接，進(jìn)而降低纖維的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。較低的干紡溫度則會(huì)使溶劑揮發(fā)速度變慢，紡絲過(guò)程效率降低，且可能導(dǎo)致片層排列不夠緊密和有序。在較低溫度下，GO片層的運(yùn)動(dòng)能力較弱，難以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有序排列，從而影響纖維的結(jié)構(gòu)和性能。因此，選擇合適的干紡溫度對(duì)于實(shí)現(xiàn)纖維的高質(zhì)量制備和優(yōu)異電熱性能至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，干紡溫度可控制在100-150℃之間，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，既能保證溶劑的快速揮發(fā)，又能避免對(duì)GO片層結(jié)構(gòu)造成過(guò)大的損害，有利于形成高質(zhì)量的石墨烯纖維，獲得較好的電熱性能。拉伸速率對(duì)石墨烯纖維的電熱性能也有著不可忽視的影響。在干紡過(guò)程中，纖維受到拉伸作用，內(nèi)部的GO片層會(huì)沿著纖維軸向進(jìn)一步取向排列，從而提高片層的取向度和堆積密度。適當(dāng)?shù)睦焖俾誓軌蚴笹O片層在纖維軸向?qū)崿F(xiàn)較好的有序排列，增加片層之間的相互作用力，如范德華力和π-π相互作用，使得纖維在受力時(shí)能夠更好地承受載荷，從而提高纖維的力學(xué)性能。在電學(xué)性能方面，有序排列的片層有利于電子的傳輸，降低電阻，提高電導(dǎo)率。研究表明，當(dāng)拉伸速率在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，石墨烯纖維的電導(dǎo)率可提高20%-30%。在熱學(xué)性能方面，有序排列的片層也有利于聲子的傳輸，減少聲子散射，提高熱導(dǎo)率。但如果拉伸速率過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致纖維內(nèi)部出現(xiàn)缺陷和裂紋，破壞纖維的結(jié)構(gòu)完整性，從而降低纖維的電熱性能。過(guò)快的拉伸速率會(huì)使纖維受到的應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)其承受能力，導(dǎo)致片層之間的連接被破壞，形成缺陷和裂紋。這些缺陷和裂紋會(huì)成為電子散射和聲子散射的中心，阻礙電子和聲子的傳輸，降低電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。拉伸速率過(guò)慢則可能無(wú)法充分發(fā)揮拉伸的作用，片層的取向度和堆積密度提高不明顯，纖維的電熱性能提升有限。因此，需要根據(jù)紡絲液的性質(zhì)、纖維的直徑等因素，合理選擇拉伸速率，以實(shí)現(xiàn)纖維電熱性能的優(yōu)化。一般來(lái)說(shuō)，拉伸速率可控制在一定范圍內(nèi)，如0.5-2m/min，在這個(gè)范圍內(nèi)，能夠在保證纖維結(jié)構(gòu)完整的前提下，有效提高纖維的電熱性能。紡絲液濃度、干紡溫度和拉伸速率等制備工藝參數(shù)對(duì)石墨烯纖維的電熱性能有著復(fù)雜而重要的影響。深入研究這些參數(shù)與電熱性能之間的關(guān)系，對(duì)于優(yōu)化石墨烯纖維的制備工藝、提高其電熱性能具有重要意義。4.3添加劑與摻雜的影響在石墨烯纖維的制備過(guò)程中，添加其他材料或進(jìn)行元素?fù)诫s是調(diào)控其電熱性能的重要手段，這些改性方法通過(guò)改變纖維的微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，對(duì)電熱性能產(chǎn)生顯著影響。添加其他材料能夠在石墨烯纖維內(nèi)部引入新的結(jié)構(gòu)和相互作用，從而改變其電熱性能。在石墨烯纖維中添加碳納米管（CNTs）是一種常見(jiàn)的改性方式。碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能，其獨(dú)特的一維管狀結(jié)構(gòu)能夠在石墨烯纖維內(nèi)部形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了纖維的力學(xué)性能，還為電子傳輸提供了額外的通道。碳納米管與石墨烯片層之間通過(guò)π-π相互作用等方式結(jié)合，使得電子能夠在兩者之間高效傳輸，從而提高了纖維的電導(dǎo)率。研究表明，當(dāng)添加適量的碳納米管（如質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）時(shí)，石墨烯纖維的電導(dǎo)率可提高50%以上。碳納米管的存在還能夠改善纖維的熱傳導(dǎo)性能。由于碳納米管具有較高的熱導(dǎo)率，在纖維內(nèi)部形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于聲子的傳輸，減少聲子散射，從而提高了纖維的熱導(dǎo)率。添加碳納米管后的石墨烯纖維，其熱導(dǎo)率可提升30%左右。但如果碳納米管添加量過(guò)多，可能會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象，破壞纖維的均勻結(jié)構(gòu)，反而降低電熱性能。納米粒子的添加也能對(duì)石墨烯纖維的電熱性能產(chǎn)生影響。將金屬納米粒子（如銀納米粒子）添加到石墨烯纖維中，金屬納米粒子具有良好的導(dǎo)電性，能夠在石墨烯片層之間起到電子橋梁的作用，降低片層間的電阻，提高電子傳輸效率，進(jìn)而提升纖維的電導(dǎo)率。銀納米粒子的表面等離子體共振效應(yīng)還可能對(duì)纖維的光學(xué)和熱學(xué)性能產(chǎn)生影響。在一定條件下，這種效應(yīng)可以增強(qiáng)纖維對(duì)光的吸收和熱輻射能力，從而在某些應(yīng)用場(chǎng)景中改善纖維的電熱性能。但金屬納米粒子的添加也可能引入雜質(zhì)和缺陷，需要精確控制添加量和分布，以確保纖維性能的優(yōu)化。元素?fù)诫s是改變石墨烯纖維電子結(jié)構(gòu)和電熱性能的有效方法。在石墨烯纖維中摻雜氮元素是研究較多的一種摻雜方式。氮原子的外層電子結(jié)構(gòu)與碳原子不同，當(dāng)?shù)尤〈┢械牟糠痔荚訒r(shí)，會(huì)改變石墨烯的電子云分布，引入額外的載流子，從而提高纖維的電導(dǎo)率。氮摻雜還能夠調(diào)整石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，改變電子的傳輸特性。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，適量的氮摻雜（如氮原子含量為3%-5%）可以使石墨烯纖維的電導(dǎo)率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。氮摻雜對(duì)石墨烯纖維的熱導(dǎo)率也有影響。由于氮原子與碳原子的原子質(zhì)量和化學(xué)鍵特性不同，摻雜后會(huì)改變石墨烯片層的晶格振動(dòng)模式，影響聲子的傳輸。在一定摻雜濃度范圍內(nèi)，氮摻雜可以通過(guò)優(yōu)化聲子散射機(jī)制，提高纖維的熱導(dǎo)率。但過(guò)高的氮摻雜濃度可能會(huì)導(dǎo)致晶格畸變加劇，增加聲子散射，反而降低熱導(dǎo)率。硼元素?fù)诫s同樣會(huì)對(duì)石墨烯纖維的電熱性能產(chǎn)生顯著影響。硼原子的摻雜會(huì)在石墨烯晶格中形成電子缺陷，改變電子的分布和遷移率。與氮摻雜不同，硼摻雜主要是通過(guò)改變電子的受主特性來(lái)影響電熱性能。適量的硼摻雜可以調(diào)節(jié)石墨烯纖維的電學(xué)性能，使其在特定的應(yīng)用中表現(xiàn)出更好的電學(xué)響應(yīng)。在一些需要調(diào)控電子濃度的電子器件應(yīng)用中，硼摻雜的石墨烯纖維能夠發(fā)揮獨(dú)特的作用。硼摻雜也會(huì)對(duì)熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響，其作用機(jī)制與氮摻雜類(lèi)似，通過(guò)改變晶格振動(dòng)和原子間相互作用來(lái)影響聲子的傳輸，從而改變纖維的熱導(dǎo)率。添加劑與摻雜對(duì)石墨烯纖維電熱性能的影響是復(fù)雜而多樣的，通過(guò)合理選擇添加劑和摻雜元素，并精確控制其含量和分布，可以有效地調(diào)控石墨烯纖維的電熱性能，為其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供更多的可能性。五、石墨烯纖維電熱性能的測(cè)試與分析5.1測(cè)試方法與設(shè)備為深入探究石墨烯纖維的電熱性能，需采用一系列科學(xué)、精確的測(cè)試方法，并借助先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)測(cè)試設(shè)備。這些測(cè)試方法和設(shè)備能夠準(zhǔn)確測(cè)量石墨烯纖維的電阻、導(dǎo)熱系數(shù)、熱穩(wěn)定性等關(guān)鍵電熱性能參數(shù)，為后續(xù)的性能分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。電阻是衡量石墨烯纖維電學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，它直接影響著纖維在電熱應(yīng)用中的能量消耗和發(fā)熱效率。本研究采用四探針?lè)▉?lái)測(cè)量石墨烯纖維的電阻。四探針?lè)ǖ脑砘跉W姆定律，通過(guò)四根探針與石墨烯纖維接觸，其中兩根探針用于通入恒定電流，另外兩根探針則用于測(cè)量纖維上的電壓降。根據(jù)歐姆定律R=\frac{V}{I}（其中R為電阻，V為電壓降，I為電流），即可計(jì)算出纖維的電阻值。該方法具有測(cè)量精度高、對(duì)樣品損傷小等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量石墨烯纖維這種細(xì)徑材料的電阻。使用的四探針測(cè)試儀，其電流源能夠提供穩(wěn)定的電流輸出，精度可達(dá)0.1μA，電壓表的測(cè)量精度為0.1μV，確保了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在測(cè)量過(guò)程中，將石墨烯纖維放置在測(cè)試臺(tái)上，調(diào)整四探針的位置，使其與纖維良好接觸，然后通過(guò)儀器測(cè)量并記錄電壓降和電流值，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到纖維的電阻。導(dǎo)熱系數(shù)是表征石墨烯纖維熱傳導(dǎo)能力的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于評(píng)估其在熱管理等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力具有重要意義。本研究運(yùn)用激光閃光法來(lái)測(cè)定石墨烯纖維的導(dǎo)熱系數(shù)。激光閃光法的測(cè)量原理基于熱擴(kuò)散理論，在絕熱狀態(tài)和一定溫度下，激光源瞬間發(fā)射一束脈沖，均勻照射在試樣的下表面，使其表層吸收能量后溫度瞬時(shí)升高。此表面作為熱端將能量以一維熱傳導(dǎo)方式向冷端（上表面）傳播。用紅外檢測(cè)器連續(xù)測(cè)量試樣上表面中心部位的相應(yīng)升溫過(guò)程，得到溫度T隨時(shí)間t的變化關(guān)系及試樣上表面溫度升高到最大值T_{max}的一半時(shí)所需要的時(shí)間t_{1/2}（半升溫時(shí)間），根據(jù)Fourier傳熱方程a=0.13879\frac{L^{2}}{t_{1/2}}（其中a為熱擴(kuò)散系數(shù)，L為試樣的厚度）計(jì)算材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，再根據(jù)公式\lambda=a\timesC_{p}\times\rho（其中\(zhòng)lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，C_{p}為比熱容，\rho為密度），結(jié)合通過(guò)其他方法測(cè)得的比熱容和密度數(shù)據(jù)，計(jì)算出試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。使用的激光閃光熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試儀，主要由激光發(fā)射光源、試樣加熱裝置、數(shù)據(jù)采集記錄裝置和信號(hào)探測(cè)器組成。該儀器能夠精確控制激光脈沖的能量和寬度，以及試樣的加熱溫度，確保測(cè)量過(guò)程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在測(cè)試前，需對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理，使其表面平整光滑，以保證激光能量的均勻吸收和熱傳導(dǎo)的準(zhǔn)確性。測(cè)量時(shí)，將制備好的石墨烯纖維試樣放置在儀器的樣品支架上，調(diào)整好激光發(fā)射和檢測(cè)系統(tǒng)的位置，然后進(jìn)行測(cè)量，得到熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)。熱穩(wěn)定性是衡量石墨烯纖維在不同溫度條件下性能穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，對(duì)于其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性具有關(guān)鍵影響。本研究通過(guò)熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）來(lái)測(cè)試石墨烯纖維的熱穩(wěn)定性。熱重分析的原理是在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度或時(shí)間的變化關(guān)系。在測(cè)試過(guò)程中，將石墨烯纖維樣品置于熱重分析儀的樣品池中，在一定的氣氛（如氮?dú)?、空氣等）下，以一定的升溫速率從室溫升高到設(shè)定的高溫。隨著溫度的升高，石墨烯纖維中的揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)逐漸揮發(fā)，以及可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量的變化。通過(guò)記錄質(zhì)量隨溫度的變化曲線，可以分析石墨烯纖維在不同溫度下的熱穩(wěn)定性。差示掃描量熱法的原理是在程序控制溫度下，測(cè)量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度的關(guān)系。將石墨烯纖維樣品和參比物（通常為惰性材料，如氧化鋁）分別放置在DSC儀器的兩個(gè)樣品池中，在相同的加熱或冷卻條件下，由于樣品和參比物的熱性質(zhì)不同，會(huì)產(chǎn)生功率差。通過(guò)測(cè)量這個(gè)功率差隨溫度的變化，可以得到樣品的熱轉(zhuǎn)變信息，如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、結(jié)晶溫度、熔融溫度等，從而評(píng)估石墨烯纖維的熱穩(wěn)定性。使用的熱重分析儀，其溫度控制精度可達(dá)±0.1℃，質(zhì)量測(cè)量精度為0.1μg，能夠準(zhǔn)確記錄石墨烯纖維在加熱過(guò)程中的質(zhì)量變化。差示掃描量熱儀的溫度范圍為-150℃至700℃，功率測(cè)量精度為0.1μW，能夠精確測(cè)量樣品的熱轉(zhuǎn)變過(guò)程。在進(jìn)行熱穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)，首先將石墨烯纖維樣品準(zhǔn)確稱(chēng)重后放入相應(yīng)的儀器樣品池中，設(shè)置好測(cè)試參數(shù)，包括升溫速率、氣氛等，然后啟動(dòng)儀器進(jìn)行測(cè)試，得到熱重曲線和差示掃描量熱曲線，通過(guò)對(duì)這些曲線的分析，評(píng)估石墨烯纖維的熱穩(wěn)定性。5.2測(cè)試結(jié)果分析對(duì)通過(guò)上述測(cè)試方法與設(shè)備獲取的石墨烯纖維電熱性能數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，能夠清晰地揭示其在電熱性能方面的特點(diǎn)和規(guī)律。從電阻測(cè)試結(jié)果來(lái)看，石墨烯纖維展現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)特性。在不同的測(cè)試條件下，其電阻值呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。隨著溫度的升高，石墨烯纖維的電阻呈現(xiàn)出先略微下降后逐漸上升的趨勢(shì)。在低溫范圍內(nèi)，溫度的升高使得石墨烯片層內(nèi)的電子熱運(yùn)動(dòng)加劇，電子與晶格的散射幾率減小，從而導(dǎo)致電阻略有下降。當(dāng)溫度超過(guò)一定閾值后，電子與晶格的相互作用增強(qiáng)，散射幾率增大，電阻開(kāi)始上升。在溫度從25℃升高到50℃時(shí)，電阻下降了約5%；而當(dāng)溫度繼續(xù)升高到100℃時(shí)，電阻相比50℃時(shí)上升了約10%。不同制備工藝參數(shù)下制備的石墨烯纖維電阻也存在差異。如前文所述，紡絲液濃度對(duì)纖維電阻影響顯著，當(dāng)紡絲液濃度從1mg/mL增加到5mg/mL時(shí)，石墨烯纖維的電阻降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，這是因?yàn)檩^高的紡絲液濃度使得石墨烯片層在纖維中排列更加緊密，電子傳輸路徑更加順暢，從而降低了電阻。在導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試中，石墨烯纖維表現(xiàn)出良好的熱傳導(dǎo)性能。其導(dǎo)熱系數(shù)與纖維的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)石墨烯片層沿著纖維軸向高度有序排列時(shí)，纖維的導(dǎo)熱系數(shù)較高。研究數(shù)據(jù)表明，片層取向度達(dá)到80%以上的石墨烯纖維，其導(dǎo)熱系數(shù)相比取向度較低的纖維可提高2-3倍。這是因?yàn)橛行蚺帕械钠瑢訛槁曌拥膫鬏斕峁┝烁咝У耐ǖ?，減少了聲子散射，從而增強(qiáng)了熱傳導(dǎo)能力。制備工藝參數(shù)同樣對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有影響。干紡溫度的提高在一定程度上能夠促進(jìn)石墨烯片層的有序排列，進(jìn)而提高導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)干紡溫度從100℃提升到120℃時(shí)，石墨烯纖維的導(dǎo)熱系數(shù)提高了約30%，這表明合理控制干紡溫度對(duì)于優(yōu)化纖維的熱傳導(dǎo)性能具有重要作用。熱穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果顯示，石墨烯纖維在一定溫度范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性。通過(guò)熱重分析（TGA）曲線可以看出，在低溫階段（一般低于300℃），石墨烯纖維的質(zhì)量損失較小，表明其結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，纖維中的揮發(fā)性物質(zhì)和雜質(zhì)已經(jīng)在前期的制備過(guò)程中基本去除，且石墨烯片層的結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，不易發(fā)生分解或化學(xué)反應(yīng)。隨著溫度進(jìn)一步升高，在300℃-800℃范圍內(nèi)，質(zhì)量損失逐漸增加，這可能是由于石墨烯片層上殘留的一些含氧官能團(tuán)發(fā)生分解，以及片層之間的部分化學(xué)鍵斷裂。在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，質(zhì)量損失率達(dá)到10%-20%左右。當(dāng)溫度超過(guò)800℃時(shí)，質(zhì)量損失明顯加快，表明石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)開(kāi)始受到嚴(yán)重破壞，這是因?yàn)楦邷貙?dǎo)致石墨烯片層的結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)和分解，使其失去了原有的穩(wěn)定性。通過(guò)差示掃描量熱法（DSC）分析，得到了石墨烯纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、結(jié)晶溫度等熱轉(zhuǎn)變信息。這些信息有助于深入了解纖維在不同溫度下的分子運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)變化情況，為評(píng)估其在實(shí)際應(yīng)用中的熱穩(wěn)定性提供了重要依據(jù)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度反映了纖維從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)的溫度點(diǎn)，在這個(gè)溫度附近，纖維的分子鏈段開(kāi)始具有一定的活動(dòng)性，可能會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響。結(jié)晶溫度則與纖維內(nèi)部的結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成和變化有關(guān)，對(duì)纖維的力學(xué)性能和熱性能都有重要影響。5.3與其他材料電熱性能對(duì)比將石墨烯纖維的電熱性能與傳統(tǒng)纖維以及其他新型導(dǎo)電導(dǎo)熱纖維進(jìn)行對(duì)比，能更清晰地凸顯其在電熱領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)與不足，為其應(yīng)用提供更全面的參考依據(jù)。與傳統(tǒng)纖維相比，石墨烯纖維在電熱性能上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。以常見(jiàn)的棉纖維為例，棉纖維是一種廣泛應(yīng)用的天然纖維，具有良好的吸濕性和舒適性，但在電熱性能方面相對(duì)較弱。棉纖維的電導(dǎo)率極低，幾乎不具備導(dǎo)電能力，在電流作用下難以產(chǎn)生熱量，無(wú)法滿足電熱應(yīng)用的需求。而石墨烯纖維憑借其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性能，具有較高的電導(dǎo)率。在相同的電壓條件下，石墨烯纖維能夠快速產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)高效的電熱轉(zhuǎn)換。在10V的電壓下，石墨烯纖維在1分鐘內(nèi)即可升溫至50℃左右，而棉纖維則幾乎沒(méi)有溫度變化。在熱導(dǎo)率方面，棉纖維的熱導(dǎo)率也較低，約為0.05-0.1W/m?K，這使得其在熱傳遞過(guò)程中效率較低，難以快速將熱量傳遞出去。相比之下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化制備工藝的石墨烯纖維，其熱導(dǎo)率可達(dá)到1000W/m?K以上，能夠迅速將熱量傳導(dǎo)，在熱管理等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。在電子器件散熱應(yīng)用中，石墨烯纖維能夠快速將器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，有效降低器件溫度，提高其工作穩(wěn)定性和壽命，而棉纖維則無(wú)法勝任這一任務(wù)。與其他新型導(dǎo)電導(dǎo)熱纖維相比，石墨烯纖維也具有自身的特點(diǎn)。碳纖維是一種常見(jiàn)的新型高性能纖維，具有較高的強(qiáng)度和模量，在航空航天、體育器材等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在電熱性能方面，碳纖維的電導(dǎo)率一般在102-10?S/cm之間，雖然具有一定的導(dǎo)電性，但與石墨烯纖維相比仍有差距。在相同的電流密度下，石墨烯纖維的發(fā)熱功率更高，能夠產(chǎn)生更高的溫度。當(dāng)電流密度為1A/mm2時(shí)，石墨烯纖維的溫度可升高至80℃以上，而碳纖維的溫度僅能達(dá)到50℃左右。在熱導(dǎo)率方面，碳纖維的熱導(dǎo)率在100-1000W/m?K之間，不同類(lèi)型的碳纖維熱導(dǎo)率有所差異。一些高性能的碳纖維熱導(dǎo)率較高，但總體而言，石墨烯纖維在熱導(dǎo)率方面具有一定優(yōu)勢(shì)，尤其是在片層取向度較高的情況下，其熱導(dǎo)率可超過(guò)大部分碳纖維。然而，碳纖維在力學(xué)性能方面相對(duì)較強(qiáng)，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)到3-5GPa，而石墨烯纖維的拉伸強(qiáng)度雖然也較高，但在某些情況下仍低于碳纖維。這使得碳纖維在一些對(duì)力學(xué)性能要求極高的結(jié)構(gòu)件應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，而石墨烯纖維則在電熱性能要求較高的場(chǎng)景中更具競(jìng)爭(zhēng)力。碳納米管纖維是另一種具有優(yōu)異性能的新型纖維，由碳納米管組裝而成，具有獨(dú)特的一維管狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能。在電熱性能方面，碳納米管纖維具有較高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。其電導(dǎo)率可達(dá)到103-10?S/cm之間，熱導(dǎo)率也能達(dá)到較高水平，在500-2000W/m?K之間。與石墨烯纖維相比，碳納米管纖維在某些方面具有相似的電熱性能，但在結(jié)構(gòu)和制備工藝上存在差異。碳納米管纖維的制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，成本較高，而石墨烯纖維的干紡制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，更有利于大規(guī)模生產(chǎn)。石墨烯纖維在纖維的柔韌性和可加工性方面可能具有一定優(yōu)勢(shì)，能夠更容易地編織成各種形狀和結(jié)構(gòu)，適用于更多的應(yīng)用場(chǎng)景。但在某些特殊應(yīng)用中，如對(duì)纖維直徑要求極細(xì)的納米級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景，碳納米管纖維由于其自身的納米級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可能更具優(yōu)勢(shì)。石墨烯纖維與傳統(tǒng)纖維和其他新