功能性石墨烯纤维材料在高级可穿戴应用中的研究

2025-03-09 Sun
学术背景随着可穿戴电子设备的快速发展，对高性能、柔性、耐久性材料的需求日益增加。石墨烯（graphene）作为一种具有优异导电性、机械强度和柔性的二维材料，近年来在可穿戴电子设备中的应用备受关注。然而，如何将石墨烯转化为适用于可穿戴设备的功能性纤维材料，仍然是一个亟待解决的挑战。石墨烯纤维（graphene fiber, GF）作为一种新型纤维材料，不仅继承了石墨烯的优异性能，还具备纺织品的柔性和可编织性，使其在可穿戴传感、柔性储能设备及智能纺织品中展现出巨大的应用潜力。本文综述了石墨烯纤维的制备技术及其在可穿戴电子设备中的应用，旨在为未来研究提供方向，并推动石墨烯纤维的商业化进程。
论文来源这篇综述论文由Heng Zhai、Jing Liu、Zekun Liu和Yi Li共同撰写，他们分别来自曼彻斯特大学材料系和牛津大学Botnar研究中心。论文于2025年1月5日被接受，并于同年发表在《Advanced Fiber Materials》期刊上，DOI为10.1007/s42765-025-00512-1。
论文主要内容1. 石墨烯纤维的制备技术石墨烯纤维的制备是将其应用于可穿戴设备的关键步骤。论文详细介绍了三种主要的制备方法：湿法纺丝（wet spinning）、静电纺丝（electrospinning）和干法纺丝（dry spinning）。
湿法纺丝：这是最常见的制备方法，通过将石墨烯氧化物（graphene oxide, GO）液晶溶液纺入凝固浴中，形成连续的纤维。湿法纺丝能够制备出具有优异机械性能和导电性的石墨烯纤维。论文还提到，纺丝过程中需要控制GO分散液的质量、纺丝喷嘴的选择以及凝固浴的组成，以确保纤维的性能。
静电纺丝：该方法通过高压电场将GO分散液纺成纳米纤维，制备出具有高导电性和拉伸强度的石墨烯纳米纤维（graphene nanofiber, GNF）。静电纺丝的优势在于能够制备出直径在100到900纳米之间的连续纤维，适用于大规模生产。
干法纺丝：干法纺丝通过直接将GO溶液挤出成纤维，无需凝固浴。虽然该方法制备的纤维重量轻，但由于缺乏溶剂交换过程，机械强度较低。
2. 石墨烯纤维的结构与性能石墨烯纤维的结构设计对其性能有重要影响。论文介绍了多种结构设计，如扭绞结构、中空结构和带状结构，这些结构设计能够显著提升纤维的机械性能和导电性。
扭绞结构：通过将两根湿态GO纤维扭绞在一起，形成平行排列的石墨烯片层结构，从而提升纤维的拉伸强度和断裂应变。
中空结构：中空石墨烯纤维具有较高的比表面积和导电性，适用于柔性超级电容器和电池等储能设备。
带状结构：通过湿法纺丝制备的带状石墨烯纤维具有高柔性和强度，能够形成复杂的微观结构，适用于弹性应变传感器和柔性太阳能电池。
3. 石墨烯纤维在可穿戴电子设备中的应用石墨烯纤维在可穿戴电子设备中的应用主要包括传感技术、柔性储能设备和柔性显示与电路。
传感技术：石墨烯纤维能够作为应变、压力和湿度传感器，实时监测环境和机械变形。例如，涂覆功能材料的石墨烯纤维可以用于检测湿度、压力或应变，适用于健康监测和人机交互。
柔性储能设备：石墨烯纤维在超级电容器和电池中表现出优异的性能，能够在弯曲和拉伸条件下保持高效储能。论文还提到，石墨烯纤维的导电性和机械强度使其成为柔性储能设备的理想材料。
柔性显示与电路：石墨烯纤维的高导电性和柔性使其能够编织成发光设备或作为可穿戴电路的基础。例如，多股扭绞石墨烯纤维能够显著提升显示亮度和电路稳定性。
4. 石墨烯纤维的未来发展方向论文指出，未来的研究将集中在提升石墨烯纤维的结构性能、与其他材料的杂化以及规模化制备技术上。通过优化石墨烯片的质量和排列，可以进一步提高纤维的机械性能和导电性。此外，石墨烯纤维的规模化生产将推动其在智能纺织品和可穿戴设备中的广泛应用。
论文的意义与价值这篇综述论文全面总结了石墨烯纤维的制备技术及其在可穿戴电子设备中的应用，为未来的研究提供了重要的参考。通过详细讨论石墨烯纤维的结构设计、性能优化和应用前景，论文不仅推动了石墨烯纤维在可穿戴设备中的创新应用，还为智能纺织品的商业化铺平了道路。此外，论文还强调了石墨烯纤维在柔性储能、传感和显示领域中的巨大潜力，为下一代可穿戴电子设备的发展提供了新的思路。
亮点与创新多结构设计：论文详细介绍了扭绞、中空和带状等不同结构的石墨烯纤维，展示了其在机械性能和导电性方面的显著提升。
多功能应用：石墨烯纤维在传感、储能和显示等领域的广泛应用，展示了其在可穿戴电子设备中的巨大潜力。
规模化制备技术：论文探讨了湿法纺丝、静电纺丝和干法纺丝等规模化制备技术，为石墨烯纤维的商业化提供了技术基础。
结论石墨烯纤维作为一种新型功能材料，在可穿戴电子设备中展现出广阔的应用前景。通过优化制备技术和结构设计，石墨烯纤维不仅能够提升可穿戴设备的性能，还能推动智能纺织品的大规模应用。未来的研究将继续探索石墨烯纤维的潜力，推动其在柔性电子领域的广泛应用。