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将强石墨烯组装成高性能宏观材料引起了人们的极大兴趣和持续关注。热处理已被证明可以有效地从有缺陷的氧化石墨烯中恢复原始的石墨烯晶格，从而提高性能。然而，石墨烯纤维的机械性能仍然不如单层原始石墨烯，主要是由于组装引起的缺陷，例如在二维薄片与纤维结构折叠过程中形成的微孔。
2025 年 10 月 20 日，浙江大学高超和刘英军、清华大学徐志平、浙江大学许震共同通讯在 Nature Materials在线发表题为“High-performance graphene-based carbon fibres prepared at room temperature via domain folding”的研究论文。该研究报告了室温下制备的超强和刚性石墨烯纤维，其平均抗拉强度为5.19 GPa，杨氏模量为529 GPa。
作者提出了一种区域折叠策略来构建高度折叠但致密堆积的纳米结构，从而使微孔体积减少10倍。应力分布在纤维是均匀的，导致增强的机械性能。这些发现推动了碳纤维和其他由二维纳米片组装的宏观材料的制造，在降低能耗的同时实现了高质量的材料。
碳纤维（CF）以其优异的比强度和稳定性而闻名，推动了飞机和航天器的发展，并已扩展到汽车、风力涡轮机叶片和能源电池。这些特性源于其纯碳成分，由有序的石墨烯基 2 结构组成。自发明以来，碳纤维中石墨烯单元的形成一直依赖于有机碳化方法，其中线性聚合物或小有机分子在足够高的温度下融合成石墨烯单元，通常高于1300°C。只有这样，纤维才能获得超过90%的高碳含量。因此，传统的有机碳化路径能耗巨大，是钢的17倍。该高温处理约占总成本的40%。低温生产碳水化合物和降低能耗是一个长期存在的挑战。然而，传统的碳化原理使其无法大幅降低加工温度并保持高性能。考虑到所有优异的性能都来自于石墨烯基 2 碳单元，除了炭化方案之外，研究人员想知道从石墨烯的结构单元直接制造碳纳米管应该可以在低温甚至室温下制备碳纳米管。石墨烯纤维（GFs）最初是在2011年通过氧化石墨烯（GO）液晶的湿纺丝和化学还原制备的（抗拉强度为140 MPa）。在与传统碳纤维材料相同的高温处理后，通过排列石墨烯片和扩大石墨晶体，实现了碳纤维材料力学性能的改善。经1800℃退火处理后，大小氧化石墨烯片混合制备的结晶GFs的抗拉强度为1.08 GPa。缩小纺丝微通道（增强剪切应力）和塑性后拉伸改善了氧化石墨烯薄片沿纤维轴的排列，导致高度结晶的石墨结构，并在2500°C以上的热退火后将拉伸强度提高到1.9-3.4 GPa。尽管石墨烯在高温处理下可以很好地恢复原始的晶格和晶体结构，但宏观组装过程中形成的缺陷仍然严重限制了石墨烯的力学性能。特别地，由于氧化石墨烯纺丝液通常被稀释（约1-2 wt%），因为它的高排除体积，氧化石墨烯凝胶纤维在湿纺过程中会严重收缩，通过将氧化石墨烯片（50-100次）折叠形成固体纤维，从而导致微孔和皱纹等组装缺陷。一般来说，增强分子间的应力传递，如改善排列、去除微孔和增加层间相互作用，可以改善碳纳米管纤维的拉伸性能，并且GFs。在宏观组装过程中最大限度地减少这种缺陷的形成，有望增强应力传递，并获得即使在室温下也能制备的高性能石墨烯基碳纤维。图1：两条通往cf的路径对比（图源自Nature Materials ）在这里，作者报告了一种在室温下通过畴折叠策略制备的高性能石墨烯基CF，以减少组装缺陷，这与传统的有机碳化路径不同（图1a，b）。除了先前报道的GFs 之外，室温下制备的GF在力学性能上有了突破，平均强度高达5.19 GPa，杨氏模量高达529 GPa。同时，石墨烯组装路径在碳纤维材料的功能性能方面也有其优点。GF的导热系数为232 W m −1 K −1 ，远远超过高强度聚丙烯腈（PAN）碳纤维（低于32 W m −1 K −1 ） 625%。https://www.nature.com/articles/s41563-025-02384-7
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