高度可拉伸石墨烯纤维的制备及其电热应用

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电热材料可以将电能转化为热能,从而被广泛地应用在工业生产、玻璃除雾、机翼除冰和室内供暖等领域。随着多功能柔性电子器件的快速发展,为了满足智能化供暖、医疗保健、可控药物释放和传感等需求,可穿戴电热器件逐渐进入人类的视野。传统的电热材料主要包括镍铬合金、康泰尔合金和氧化铟锡(ITO)玻璃等,然而金属合金密度大(>7.0 g/cm3)且有刚性,ITO玻璃易碎,这些材料都不适用于可穿戴电热领域。石墨烯作为新兴的二维碳材料,具有高导电、轻质(<2.2 g/cm3)和柔性的优点,有文献报道过石墨烯和碳纳米管电热膜,然而其弱的拉伸性和不可编织性使其难以整合成电热服。因此可编织的石墨烯纤维是可穿戴器件的理想材料,然而目前湿法纺丝的石墨烯纤维可拉伸性低,限制了它在这方面的应用。获得高度可拉伸和电热性能优异的石墨烯纤维仍然是一种挑战。  针对这一问题,本文通过卷绕高温处理的柔性石墨烯薄膜成功制备出一种高度可拉伸的石墨烯纤维。该石墨烯纤维的断裂伸长率可达到70%,韧性高达22.45MJ/m3。高温处理修复了石墨烯片的结构缺陷,极大地提高了石墨烯纤维的电导率,高达6×105 S/m。石墨烯纤维兼具低密度和高导电率的优势,在超低电压(低于5V)下具有超快的电热响应(在空气中的最大升温和降温速度分别是571℃/s和891℃/s)。另外,该石墨烯纤维在弯折一千次后仍然保持稳定的电热性能。这些高性能的石墨烯纤维可以进一步地编织成电热织物,具有快速的除冰和除湿能力,有助于在恶劣的天气环境下使用。未来石墨烯电热纤维有希望与石墨烯纤维电池或者电容器组合成多功能电子器件。
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