图 室温限域折叠制备高性能石墨烯基碳纤维的节能路线。（a）室温石墨烯组装碳纤维的新路线；（b）传统碳纤维的前驱体高温碳化路线；（c）氧化石墨烯分域剪切多流场制备限域折叠石墨烯纤维的示意图；（d-g）限域折叠氧化石墨烯纤维（d, e）与自由折叠氧化石墨烯纤维（f, g）的对比图

在国家自然科学基金项目（批准号：52090030、52090031、52403051、52272046）等资助下，浙江大学高分子科学与工程学系高超教授团队在室温制备高性能石墨烯基碳纤维研究中取得进展，相关成果以“室温限域折叠制备高性能石墨烯基碳纤维（High-performance graphene-based carbon fibres prepared at room temperature via domain folding）”为题，于2025年10月20日在线发表于《自然•材料》（Nature Materials）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02384-7。

　　碳纤维是一种碳含量在90%以上且具有高强度、高模量、轻质、化学稳定性等优异性能的纤维材料，是现代工业和国防装备中不可或缺的战略性材料。碳纤维主要由有机分子前驱体（如聚丙烯腈、沥青、粘胶等）纤维经低温预氧化、高温碳化及超高温石墨化等过程制备而成。碳纤维的后处理过程能耗极大，同时高温碳化和石墨化过程还需消耗大量惰性保护气体。据报道，高温热处理的能源与气体消耗约占碳纤维整体成本的40%。因此，碳纤维的节能高效制备一直是基础研究领域的重要科学问题。然而，有机分子热裂解碳化的基本路线和原理决定了高温后处理是传统碳纤维制备过程中无法避免的核心环节。

　　石墨烯纤维是一种由单层石墨烯有序组装排列而成的新型碳质纤维材料，其可以由氧化石墨烯经脱除含氧官能团形成碳质纤维，理论上显示了一条较低温条件下制备碳质纤维的新路线。然而，化学还原石墨烯纤维的力学性能受限，使得室温制备高性能石墨烯纤维这一难题长期未解。为此，浙江大学高分子系高超教授团队提出了“分域剪切多流场”方法，在氧化石墨烯凝胶纤维中首创微纤亚单元的液晶织构，当纤维凝固干燥时，氧化石墨烯分子在每个微纤单元内限域折叠细晶化，大幅减少并减小微孔缺陷，从而在室温下成功制备出高性能石墨烯基碳纤维。此外，该团队与清华大学徐志平教授团队合作，对石墨烯纤维折叠结构开展了力学计算与模拟研究。

　　该研究在分子尺度上调控了氧化石墨烯在纤维受限空间内的特征排列，实现了氧化石墨烯二维分子在微纤液晶单元中的可控限域折叠。与传统氧化石墨烯分子在纤维结构中的无序折叠和堆积相比，可控限域折叠使氧化石墨烯分子高度折叠并产生细晶化特征，小晶区的致密堆积可大幅减少并减小石墨烯片间的微孔缺陷，使微孔形态由扁平粗孔转变为针状细孔。在25 °C室温催化还原条件下，限域折叠的石墨烯纤维表现出优异的拉伸强度（5.19 GPa）和模量（529 GPa），导热率、导电率分别为232 W/mK和120 S/cm，同时碳含量高达92%，实现了高性能石墨烯基碳纤维的室温制备。区别于传统以石油基前驱体经高温碳化制备碳纤维的路线，该室温制备方法开辟了一条节能高效制备碳纤维的全新路线。该研究建立了石墨烯纤维限域折叠-有序晶区尺寸-微孔缺陷特征-力学性能间的构效关系，为深入理解二维分子组装纤维的成纤机制和控制原理迈出了重要一步。