1成果简介
石墨烯作为单原子层碳材料，理论拉伸强度高达130 GPa，是构筑高性能宏观材料的理想基元，如高性能石墨烯纤维。然而，在湿法纺丝制备氧化石墨烯纤维时，氧化石墨烯液晶纺丝液浓度低于1 wt%，凝固和干燥的液固转变过程中体积剧烈收缩近100倍，造成纤维内大量无规褶皱和微孔洞密集等问题，大幅限制了石墨烯纤维的力学和导电性能。
不同于以往削弱层间相互作用增强塑性变形的传统思路，本文，浙江大学李鹏专职研究员、许震副教授、高超教授与西安交通大学覃华松副教授等在《Matter》期刊发表名为“Simultaneously enhancing plasticity and load-bearing capacity by ionic crosslink for strong and conductive wet-spun graphene fibers”的论文，研究采用离子交联塑化拉伸工艺，制备了高强度、高导电的石墨烯纤维，加深了氧化石墨烯二维分子塑性变形行为与控制的理解，为制备高取向石墨烯纤维及其高性能丝束提供了技术储备。
本文提出“离子交联增强层间相互作用协同增强塑性和承载能力”的方法，不仅提高了氧化石墨烯纤维的塑性变形，拓宽塑化加工窗口，同时增强了拉伸承载能力，同步保障了纤维的高取向排列和连续牵伸稳定性。团队提出了“强化层间作用而非削弱”的反常规思路：在氧化石墨烯纤维的增塑过程中，引入二价金属离子或有机交联剂（乙二胺、哌嗪），在增强层间作用力的同时反而提高了材料的可塑性与承载能力。
这种设计实现了两大突破：1.塑性变形率倍增：离子交联让氧化石墨烯纤维的塑性变形率达到55%，是未处理纤维的17倍，且比“削弱层间作用”的传统增塑方法高1.75倍；2.承载能力大幅提升：交联结构有效抵抗拉伸断裂，使纤维在55%的高拉伸比下仍保持稳定；相比之下，无交联纤维在拉伸比仅1%时就会断裂。
由于强层间作用力，团队实现了“单步拉伸55%”，而此前需3次连续拉伸才能达到34%的变形率。溶剂负责让氧化石墨烯片层具备可滑移性，离子交联则像“脚手架”维持结构强度，两者协同实现了“可拉伸又不易断”的效果。
2图文导读
图1：氧化石墨烯纤维塑化过程的可视化。
图2：离子交联增强层间作用，改善塑性变形和承载能力。
图3：石墨烯纤维断裂过程的MD模拟。
图4：不同离子交联塑化程度的石墨烯纤维结构。
连续塑化拉伸同步提升纤维力学与导电性能
通过离子交联增强塑化拉伸后，石墨烯纤维的微观结构得到显著优化。小角X射线散射（SAXS）和高分辨透射电镜（HR-TEM）结果显示，纤维中的微孔洞长度从379 nm缩减至70.5 nm，石墨烯片层取向度达0.96，缺陷率显著降低。高度有序、致密的结构大幅提升了纤维的性能。热还原后的石墨烯纤维（GF-CMP-EDA-1300）表现出优异的力学与电学性能：
力学性能：拉伸强度达3.81 GPa，杨氏模量509.5 GPa，超过更高温度（2800 ℃）处理的传统石墨烯纤维（3.4 GPa）；
导电性能：其电导率达到3.23×103 S/cm，是未处理纤维（18.65 S/cm）的170余倍。同时，其电导率较此前1300 ℃退火制备的石墨烯纤维提升了约215%。
图5：石墨烯纤维的结构性能关系。
电磁屏蔽用石墨烯纤维织物
基于这种高取向石墨烯纤维，编织的石墨烯纤维织物展现出优异的电磁干扰（EMI）屏蔽性能：在8.2-12.4 GHz的X波段（常用于通信、雷达），织物的总屏蔽效能（SET）达79.5 dB，是普通石墨烯纤维织物（11.3 dB）的7倍。
实验中，该织物成功阻断了智能手表的无线充电功能，验证了其在电子设备防干扰、航空航天电磁防护、医疗设备屏蔽等领域的应用潜力。未来，这种纤维还可用于柔性电子器件、高性能复合材料，甚至替代部分金属导线，为轻量化、高集成度设备提供新选择。
图6：石墨烯纤维的导电性能和石墨烯纤维织物的电磁屏蔽性能。
3小结
这项工作通过将交联引入相邻的GO层，揭示了GOF的独特塑化机制。与以往的弱化层间相互作用不同，强交联同时提高了塑性和承载能力，有利于塑料的高效拉伸，拉直随机褶皱。由于结构高度排列，缺陷最小，通过简单的湿纺丝方法制备的化学还原GF和热还原GF具有较高的机械强度和优异的导电性。这项工作不仅增强了对二维材料塑性本质的理解，而且指导了未来工业应用高性能湿纺纤维的制备。
文献： 
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