室温造 “超强纤维”！浙大清华团队突破碳纤维制备瓶颈，能耗大降 97%

近日，材料科学领域迎来重大突破 —— 浙江大学高超教授、刘英军教授、许震研究员与清华大学徐志平教授合作，提出 “区域折叠” 新策略，成功在室温下制备出超强超硬的石墨烯纤维。相关成果以《High-performance graphene-based carbon fibres prepared at room temperature via domain folding》为题，发表于国际顶刊《Nature Materials》，为高性能碳纤维的绿色、低成本制造开辟了全新路径。 一、研究背景：高温依赖成碳纤维制备 “卡脖子” 难题碳纤维凭借卓越的比强度与稳定性，在航空航天、交通工具、风电叶片、能源电池等领域不可或缺。但长期以来，传统碳纤维制备存在一个核心痛点：严重依赖高温碳化过程。要将有机前驱体（如 PAN、沥青、木质素）转化为石墨烯结构单元，需先经 300°C 左右热氧化，再在 1300°C 以上高温碳化，这一过程能耗巨大，约占制造成本的 40%。如何在低温甚至室温下，制备出力学性能优异的碳纤维，成为材料科学领域亟待突破的长期挑战。 二、核心突破：“区域折叠” 策略实现室温制备，性能能耗双优化针对传统技术瓶颈，团队摒弃高温有机碳化路径，开创基于石墨烯组装的节能新路径，通过 “区域折叠” 策略，在室温（25°C）下实现超强石墨烯纤维的连续制备，关键成果可概括为三点：

1. 室温制备：能耗大降 97%，颠覆传统工艺新路径以石墨为起点，先通过化学剥离得到氧化石墨烯（GO），再经 “域液晶湿法纺丝” 与催化化学还原，即可在室温下制成石墨烯纤维 —— 整个过程类似维纶、腈纶等常规合成纤维的湿法生产，无需高温设备。 从原理来看，石墨烯片组装路径大幅降低了处理温度：氢碘酸催化还原 GO 中羟基和环氧基的活化能，分别低至 5.4 kJ mol⁻¹ 和 36.0 kJ mol⁻¹，远低于热还原所需活化能；且组装仅需消除石墨烯骨架上的官能团，无需像传统工艺那样将小分子融合成石墨烯骨架。最终，室温制备的能耗较传统碳纤维降低约 97%，绿色优势显著。
2. “区域折叠”：优化结构，力学性能飙升团队创新提出 “区域折叠” 概念：通过微网格调控液晶纺丝过程中的 “域尺寸”，引导 GO 片在纤维内部形成高度折叠、紧密堆叠的纳米结构。与自由折叠纤维相比，区域折叠纤维的石墨烯折叠单元更小更均匀 —— 平均长度、厚度分别降低 57.6%、45.8%，折叠面积减少 77%，直接减少了纤维内部的微孔缺陷：微孔体积降低一个数量级，中位微孔体积从 2.09×10⁻⁴μm³ 降至 1.79×10⁻⁵μm³。 结构优化带来力学性能的飞跃：区域折叠纤维的拉伸强度从自由折叠纤维的 2.32 GPa 提升至 5.19 GPa，增幅达 153%；物理密度从 1.65 g cm⁻³ 增至 1.90 g cm⁻³，孔隙率从 20.3% 优化至 8.8%。小角 X 射线散射显示，微孔的纵向长度从 154.3 nm 缩短至 51.9 nm，横向宽度从 3.02 nm 降至 2.31 nm，进一步印证了结构的致密化。
3. 性能全面：应力均匀、断裂抗性强，兼顾功能性除了高强度，区域折叠纤维还具备优异的力学稳定性与功能性：原位拉曼光谱分析显示，其在 0.5% 应变下的 G 峰频率分布变异系数仅 0.65‰，远低于自由折叠纤维的 1.48‰，说明内部应力分布更均匀；拉曼 G 峰偏移速率更高（8.8 cm⁻¹/% 应变），载荷传递更有效。 断裂面分析则揭示，区域折叠纤维呈现锯齿状断裂路径 —— 裂纹在高度折叠的石墨烯片间偏转，延缓断裂；而自由折叠纤维因应力集中易出现穿透性裂纹与脆性断裂。此外，室温制备的石墨烯纤维碳含量达 92.3%，sp² 杂化碳占比 77.5%（比 1300°C 退火的 PAN 碳纤维高 30%），热导率高达 232 W m⁻¹K⁻¹，电导率与 800-900°C 碳化的传统碳纤维相当，兼顾力学与功能属性。 三、结论与展望：开启碳纤维低碳制造新范式该研究首次实现了从 GO 前驱体出发，在室温下制备高力学性能、高功能性的碳纤维，其 “石墨烯组装路径” 有望成为碳纤维生产的新范式。一方面，室温工艺大幅降低能耗与成本，契合 “双碳” 目标，为航空航天、新能源等领域提供更经济的高性能材料；另一方面，“区域折叠” 策略具有普适性，可用于强化其他二维纳米片组装纤维与石墨烯基复合纤维，为新材料研发提供新思路。 未来，随着该技术的进一步优化与产业化推进，有望革新传统碳纤维制造流程，推动高性能纤维向 “低碳化、低成本、高可靠性” 方向发展，为我国在材料科学领域的自主创新再添助力。