近年來，石墨烯以其高楊氏模量、高斷裂強(qiáng)度、優(yōu)異的載流子遷移率等物理化學(xué)性能在國際上受到了廣泛關(guān)注。為了將單片石墨烯的優(yōu)異性能轉(zhuǎn)移到其宏觀組裝體上（石墨烯纖維、石墨烯薄膜、石墨烯氣凝膠等），科學(xué)家們以石墨烯和氧化石墨烯為原料進(jìn)行了大量的嘗試。其中，具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電導(dǎo)熱性的石墨烯纖維展現(xiàn)了其在儲能、阻燃等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。

    目前，制備石墨烯纖維主要利用氧化石墨烯水溶液為原料，采用溶液紡絲法以及后續(xù)還原過程進(jìn)行制備。此外，通過調(diào)控石墨烯片尺寸、引入離子交聯(lián)、與聚合物混合等方式可以有效提高石墨烯纖維力學(xué)強(qiáng)度。然而根據(jù)格里菲斯理論，纖維力學(xué)強(qiáng)度的增強(qiáng)往往基于犧牲其斷裂伸長率，而過小的斷裂伸長率限制了纖維在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

    北京化工研究院塑料加工中心團(tuán)隊開發(fā)的高強(qiáng)度、高斷裂伸長率石墨烯基碳纖維很好的彌補(bǔ)了上述缺憾。根據(jù)研究，石墨烯纖維的力學(xué)強(qiáng)度主要受其內(nèi)部缺陷的分布、大小、位置所控制；另一方面，其斷裂機(jī)制可用“拉伸-剪切”模型進(jìn)行描述，即石墨烯纖維斷裂主要由其內(nèi)部石墨烯片層的相對滑動引起。

    利用目前技術(shù)所制備的石墨烯纖維在其內(nèi)部存在大量缺陷，且石墨烯片層間僅存在微弱的范德華力，因此難以達(dá)到較高力學(xué)性能。北京化工研究院科研團(tuán)隊改進(jìn)了原有制備方法，在氧化石墨烯纖維中添加酚醛樹脂并高溫碳化使其轉(zhuǎn)化成無定形碳，新生成的無定形碳位于石墨烯片層之間，可以彌補(bǔ)纖維內(nèi)部部分缺陷并使纖維致密化，從而增強(qiáng)纖維拉伸強(qiáng)度。

    同時，無定形碳可在石墨烯片層間引入新生成的C-C化學(xué)鍵，增強(qiáng)石墨烯片層間的相互作用，阻止纖維在拉伸力作用下石墨烯片層的相對滑動，從而實現(xiàn)在增強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度的同時增加其斷裂伸長率。利用此種方法所制備的石墨烯基碳纖維拉伸強(qiáng)度可達(dá)1.45 GPa，斷裂伸長率達(dá)到1.8 %，分別較純石墨烯纖維提高113 %和38 %，其楊氏模量也達(dá)到120 GPa。此外，由于缺陷的減少以及新化學(xué)鍵的形成，纖維的導(dǎo)電性能也得到有效提高，電導(dǎo)率達(dá)到8.4×104  S/m。

    該種方法所制備的石墨烯基碳纖維以其高強(qiáng)度、高斷裂伸長率、高電導(dǎo)率等特點，有望廣泛用于可穿戴器件、儲能、輕質(zhì)導(dǎo)線、太陽能電池材料等領(lǐng)域。