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新型高性能纤维的创新发展对纤维基元材料的结构和性能提出更高要求。碳纳米管纤维是新型高性能纤维的典型代表，主要是由碳纳米管定向排列构成的一维宏观材料，展现出轻质、高强、高韧、高导电等优异特性，为结构功能一体化纤维材料的发展提供了解决方案，成为新型高性能纤维研究的重点。

近期，北京大学、北京石墨烯研究院张锦院士团队在《ACS Applied Materials & Interfaces 》期刊上发表了题为 “Graphene Interlocking Carbon Nanotubes for High-Strength and High-Conductivity Fibers” 的文章（DOI ：https://doi.org/10.1021/acsami.2c21518 ）。该团队提出在石墨烯/ 氯磺酸溶液中定向牵伸碳纳米管纤维的策略，连续制备高强高导电的石墨烯/ 碳纳米管纤维。石墨烯的引入可以有效阻碍碳纳米管管束间的滑移，提高载荷传递，赋予纤维优异的力学性能。此外，石墨烯桥接相邻碳纳米管，促进导电通路的形成，提升纤维的电导率。纤维的拉伸强度为4.7 GPa ，电导率达到2.7 MS/m ，且具有良好的柔性和电热性能（3 V 电压下，加热速率高达1022 °C/s ）。论文第一作者为北京石墨烯研究院研发工程师李丽君，论文通讯作者为北京石墨烯研究院蹇木强副研究员和北京大学张锦院士。此研究得到北京市自然科学基金委、国家自然科学基金委等资助支持。

图 1. 高强高导电石墨烯 / 碳纳米管（ G/CNTF ）的制备与性能。（ a ）高致密和高取向 G/CNTF 的制备示意图；（ b ）石墨烯的透射电子显微镜（ TEM ）图像；（ c ）纤维的组装结构；（ d ）碳纳米管纤维（ CNTF ）和 G/CNTF 的拉伸强度、模量、韧性、电导率和加热速率的对比图。

图 2. 原始 CNTFs 和 G/CNTFs 的形貌对比。（ a ）原始 CNTF 的 SEM 图像；（ b ） CNTF 横截面的 SEM 图像；（ c ）原始 CNTF 的 TEM 图像；（ d ） G/CNTF 表面的 SEM 图像；（ e ） G/CNTF 的横截面 SEM 图像；（ f ） G/CNTF 的 TEM 图像。

图 3. 不同纤维的力学和电学性能。（ a ）纤维的应力 - 应变曲线；（ b-d ） CNTF 和 G/CNTF 的拉伸强度（ b ）、杨氏模量（ c ）和电导率（ d ）的对比；（ e ） G/CNTF 与文献报道 CNTF 、石墨烯纤维和碳纤维的拉伸强度和电导率的对比；（ f ）纤维的增强机制。

图 4. 用于轻质导线和高性能加热纤维。（ a ）单根纤维提起 150 g 重量，同时用作轻质导线；（ b ）纤维在不同电压下的红外图像；（ c ）不同电压下纤维的温度分布；（ d ）纤维加热速率和施加电压与已报道加热材料的对比；（ e ）纤维复合织物；（ f ）纤维复合织物的红外图像。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c21518

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