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石墨烯作为二维（2D）材料的杰出代表，其单层本征强度高达130 GPa，热导率可达5300 W·m?1·K?1，是构建高强高导热宏观材料的理想单元。然而，将单层石墨烯的卓越性能高效传递至宏观尺度，一直是材料科学领域面临的重大挑战。氧化石墨烯（GO）液晶通过湿法纺丝可以制备石墨烯纤维（GFs），领域内发展了一系列针对粒子有序化的方法提高纤维结构有序化，提升纤维的力学与传导综合性能，如纺丝孔道内定向流动以及后续拉伸结构重整。
纤维不拉伸不强。回顾高性能纤维的制备历史，超高拉伸比纺丝（λ > 5）是提升分子取向、消除多尺度缺陷的关键制造技术，这也是线形高分子高性能纤维的通用方法。然而，对于2D分散体系，由于独立片层之间不存在类似聚合物链的几何拓扑缠结，其流体一直被认为不具备强粘弹性，无法实现超高倍拉伸流动。因此，超高拉伸比纺丝这一关键方法在2D片片组装纤维领域长期未能实现。
浙江大学高分子科学与工程学系许震长聘副教授、李鹏专职研究员、高超教授联合工程力学系潘定一研究员，针对上述科学难题开展了深入研究。基于对GO分散体系流体动力学的长期深入研究，研究团队另辟蹊径，从调控溶剂粘度入手，首次发现了2D片层分散体在高粘度溶剂中表现出类聚合物的强粘弹性，揭示了2D片分子体系中以界面水动力（Hydrodynamic Force, HF）为新主导作用机制，解锁了2D材料超高拉伸比纺丝的新方法，为高性能石墨烯纤维的制备提供了新原理。相关成果以Ultrahigh-ratio drawing during spinning achieves graphene fibres with high strength and thermal conductivity 为题的研究论文在线发表于Nature Materials。
工作亮点
1. 首次在2D片层流体中发现类聚合物强粘弹性
研究团队采用高粘度甘油（ηs≈960 mPa·s）作为GO分散介质，首次观察到1.0 vol% GO/甘油分散液表现出极强的粘弹性，分散液可以直接拉伸成丝，最大伸长比χ高达1080%，而传统水体系仅约80%。还首次在2D分散体系中观测到经典的Weissenberg效应（爬杆效应）和无管虹吸现象等强粘弹性特征。这一发现首次揭示了2D片分散体系可以具备聚合物般的强粘弹性，打破了2D片层分散液无缠结极弱粘弹的认知。
2. 揭示2D分散体系的HF主导机制
实验与模拟研究揭示了2D分散体粘弹性由溶剂粘度主导：χ与溶剂粘度（ηs）呈线性正相关，与溶剂种类无关。高粘度溶剂中片层-溶剂界面产生强流体动力学关联力（HF），其强度（~5.4×10? Pa）比水体系高三个数量级，远超片层间范德华力。强HF有效关联相邻片层运动，在宏观上表现为类似聚合物链缠结的粘弹性响应。耗散粒子动力学（DPD）模拟证实HF贡献超过90%的粘弹性应力。研究首次揭示了2D分散体系的流动是以HF作用为主导，是2D片几何拓扑特征所决定的特征机制，为其液相组装提供了新的调控原理。
3. 实现超高拉伸比纺丝，石墨烯纤维综合性能大幅提升
基于所揭示的强粘弹性原理，团队成功实现连续超高拉伸比纺丝，拉伸比λ达11，相比传统湿法纺丝（λ<1.5）和塑化纺丝（λ≤2）提升450%–730%。原位同步辐射SAXS证实，超高拉伸使片层取向度从0.71提升至0.85，层间距从24.5 nm降至18.1 nm，显著抑制了片层面外褶皱。经2800 °C热处理后，超高拉伸比石墨烯纤维（UrDGFs）展现出卓越的综合性能：拉伸强度5.9 GPa、杨氏模量963 GPa、电导率1.32×10? S·m?1、热导率1720 W·m?1·K?1。其中热导率超越所有已报道纤维材料（包括金属、陶瓷、碳纤维、碳纳米管纤维及石墨纤维），强度与Kevlar和沥青基碳纤维相当，首次在单一纤维中实现高强度与高导热性的协同。该原理对MXene、黏土等2D材料同样适用——MXene纤维强度提升约150%，为广谱2D材料高性能纤维的制备提供了通用策略。
图文导读
图1 不同GO分散液宏观流变行为对比——GO/甘油分散体液丝的光子晶体色彩、无管虹吸与Weissenberg效应 vs GO/水溶液沙漏状液桥，直观呈现2D片层强粘弹性的发现。
传统观点认为，2D片层分散体系属于简单的胶体悬浮液，其流体行为类似于牛顿流体，不具备类似聚合物熔体的粘弹性，因此无法承受高拉伸变形。研究团队通过系统筛选溶剂体系，创新性地采用高粘度甘油（ηs ≈ 960mPa·s，比水高约三个数量级）作为GO分散介质，首次观察到GO/甘油分散体系表现出惊人的高拉伸流动性：1.0 vol%的分散液可以直接拉伸成丝，最大伸长比（χ）高达1080%，而传统水体系GO分散体的χ仅约80%。更为引人注目的是，GO/甘油分散体还表现出经典的Weissenberg效应（爬杆效应）和Tubeless Siphon（无管虹吸）现象，这些都是强粘弹性流体的标志性特征。这一发现首次证明了2D片层流体可以具备聚合物般的强粘弹性，为2D材料的高性能加工奠定了流变学基础。
图2 机制解析——χ-ηs线性关系、N1定量表征、HF微观起源示意图、HF与范德华力的强度对比、DPD模拟验证HF贡献>90%。
为阐明2D片层流体强粘弹性的物理起源，研究团队开展了系统的流变学表征与多尺度模拟。实验发现，分散体的最大伸长比χ与溶剂粘度ηs呈近似线性正相关关系，与溶剂种类无关，表明溶剂粘度是主导粘弹性行为的关键因素。通过毛细管断裂拉伸流变仪和锥板旋转流变仪，团队定量测得了分散体的第一法向应力差（N1），其在拉伸和剪切条件下均随ηs的增加而显著增大，进一步证实了强粘弹性的存在。深入的理论分析揭示，高粘度溶剂中丰富的片层-溶剂界面产生了强流体动力学关联力（HF）。
图3 超倍拉伸纺丝工艺与有序化——连续纺丝装置、λ=11的直径演变追踪、与传统纺丝方法的拉伸比对比、偏光织构差异、原位SAXS取向度与层间距演化。
基于发现的强粘弹性，研究团队设计并搭建了连续超高拉伸比纺丝装置，成功将拉伸比λ提升至11，相比传统湿法纺丝（λ < 1.5）和塑化纺丝（λ≤ 2）提高了450%–730%，首次在2D材料纤维领域实现了真正意义上的超高拉伸比纺丝。原位同步辐射小角X射线散射（SAXS）实时追踪了纺丝过程中片层的结构演变。结果表明，随着λ的增加，片层取向度从0.71显著提升至0.85，片层间距从24.5 nm减小至18.1 nm，表明超高拉伸不仅促进了片层的轴向取向，还产生了显著的片层展平效应，有效抑制了片层的面外褶皱，为后续高温石墨化过程中形成大尺度石墨晶畴奠定了结构基础。
图4 纤维结构与性能——SEM表面/截面形貌、大晶畴、WAXS/SAXS取向度、结构模型对比、S-κ协同提升。
2800 °C高温热处理后，超高拉伸比纺丝制备的石墨烯纤维（UrDGFs）展现出卓越的综合性能。当λ从1增加至10时，纤维密度从1.33 g·cm?3提升至2.05 g·cm?3，拉伸强度（S）提升约10倍至5.9 GPa，杨氏模量（E）提升约35倍至963 GPa，电导率（δ）提升250%至1.32×10? S·m?1，热导率（κ）提升200%至1720 W·m?1·K?1。UrDGFs首次在单一纤维材料中实现了高强度与高导热性的优异协同，为航空航天热管理、高功率线缆、电磁屏蔽等高端应用提供了全新材料选择。
研究基础与致谢
该工作基于团队在氧化石墨烯二维大分子动力学和石墨烯纤维领域长期积累的研究基础，代表性研究成果包括首篇液晶湿法纺丝（Nat. Commun. 2011, 2, 571）、离子交联和大尺寸基元改善片间作用（Adv. Mater. 2012, 25, 188）、细旦化提高纤维取向（Adv. Mater. 2016, 28, 6449）、塑化拉伸增大晶区尺寸（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2006584; Nat. Commun. 2020, 11, 2645）、氧化石墨烯纤维可逆融合与分裂（Science 2021, 372, 614）、复合流场双向有序同心圆石墨烯纤维（Nat. Commun.2024, 15, 409）, 石墨烯片层在流场中构象变化（Sci. Adv. 2024, 372, 614; Matter 2020,3, 230; Macromolecules 2020, 53, 10421; Soft Matter 2026, 22, 5605–5614等）。
该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省尖兵领雁研发计划、浙江省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等经费的支持。
信息来源：纳米高分子高超课题组
2026中国国际石墨烯创新大会
11月13-15日 中国·温州
“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。
点击下方链接，了解大会详情：
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??报名通道已开启 | 2026中国国际石墨烯创新大会火热报名中~
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会务组电话：
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