浙江大学硕士研究论文石墨烯

通过巧妙设计，浙江大学高分子系高超教授团队研发出一种新型石墨烯组装膜：它是目前导热率最高的宏观材料，同时具有超柔性，能被反复折叠6000次，承受弯曲十万次。这一进展解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题，有望广泛应用于高效热管理、新一代柔性电子器件及航空航天等领域。 高超教授 浙江大学高分子系纳米高分子课题组，由国家杰出青年基金获得者高超教授领衔，目前课题组共有教授1名、助理1名、博士后3名、博士生11名、硕士生5名、企业联合培养博士后1名。建有石墨烯、新能源材料、高分子化学3个实验室及1个“浙江大学-碳谷上希”联合研究中心。 团队长期致力于单层氧化石墨烯的规模化制备及其宏观组装研究，发现了氧化石墨烯的液晶性，发明了石墨烯纤维、石墨烯无纺布、石墨烯连续组装薄膜及最轻材料石墨烯气凝胶四种纯石墨烯宏观材料(简称F4)，开发了低成本高质量单层氧化石墨烯、多功能石墨烯复合纤维、石墨烯高效电热布、石墨烯超级电容器、石墨烯-铝离子电池、石墨烯纳滤膜等六大核心技术，这些成果产业化前景广阔，部分已实现生产和中试。 高超，1973年1月出生，土家族，浙江大学求是特聘教授、博士生导师、高分子科学研究所所长。 1995年在湖南大学获得学士学位、1998年获硕士学位，2001年获上海交通大学博士学位。博士毕业后留上海交大任教，于2003年到2006年先后在英国Sussex大学和德国Bayreuth大学做访问学者和博士后研究。2008年被引进浙江大学，被评为教授、博士生导师。 共同主编Wiley出版的英文专著1本《Hyperbranched Polymers: Synthesis, Properties, and Applications》，为英文专著撰写6章，获中国发明专利授权23项。 担任国际期刊Colloid and Polymer Science地区主编。 曾入选或获得科技部“中青年科技创新领军人才计划”（2014）、国家杰出青年基金（2013）、浙江省“钱江人才计划”（2010）、上海市“浦江人才计划”（2007）、教育部“新世纪优秀人才计划”（2005）、第九届“霍英东基金”（2004）、上海市“青年科技启明星”（2003）等人才计划，获得浙江省青年科技奖（2013)、1项国家自然科学二等奖（排名第3）、1项上海市科学技术一等奖（排名第3）及全国优秀博士学位论文等奖励。 主要成果：(1)发现了氧化石墨烯液晶及二维胶粒的手性液晶相，提出并实现了连续石墨烯纤维； (2)实现了高性能石墨烯纤维超级电容器和石墨烯基纳滤膜； (3)采用非模板协同组装策略制备了超轻弹性气凝胶； (4)发明了绿色、超快、安全的铁基法，可大量制备单层氧化石墨烯，突破了自1958年以来的高污染、易爆炸、长时间的传统制备方法。 铁基法1小时内就可制备单层石墨烯。有望实现大规模工业应用 现在，成果里面又要加上这一心形的石墨烯组装膜。这一研究成果被Nature, Nature News, Scientific American等亮点评论，认为“实现了石墨烯在现实器件应用的关键一步”、“开辟了碳纤维制备的新途径”，被美、法、澳、中国等多个课题组跟进研究。 2017年4月，材料科学的世界旗舰级期刊《Advanced Materials》编辑部邀请浙江大学高新材料相关各研究组撰稿，以校庆专辑形式展示浙江大学在材料化学领域的研究成果，献礼浙江大学120周年校庆。 石墨烯纤维结入选Nature 2011 年度图片，为2005年以来唯一入选的中国科技成果。超轻气凝胶被Nature 两次高度评论。 获最轻固态材料吉尼斯世界纪录认证，授予世界创新论坛“金袋鼠”创新奖，入选两院院士评选2013年中国十大科技进展新闻。 用最新高导热超柔性石墨烯膜折叠的千纸鹤 彭蠡，高分子科学与工程学系博士，曾以科学论文《快速规模化绿色制备氧化石墨烯》获得“启真杯”浙江大学2016年度学生十大学术新成果奖项 近日，浙大新闻办，钱江晚报等媒体记者采访了浙江大学高分子系高超教授团队。面对记者，高超教授介绍，电子电器工作时会发热，需要高效热管理来保证其正常运行。新一代器件还要求可弯折性。因此，研究高导热高柔性材料至关重要。但现有宏观材料的高导热和高柔性是一对鱼和熊掌难以兼得的矛盾。 石墨烯的出现为解决这一矛盾提供了理论上的可能。它是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面单层二维大分子。原子质量轻、简单而又强力的键接结构赋予了它超高的导热性；同时，单原子层厚度又使得其具有较好的柔性。遗憾的是，目前已有的剥离型石墨烯片小、缺陷多，其组装而成的宏观材料导热率和柔性都欠佳，还比不上商业化的聚酰亚胺石墨化膜(GPI)。比如，我们手机里的散热膜，就是用GPI制成的。 发现石墨烯的诺奖得主安德烈·海姆，浙大名誉教授，石墨烯的发现就值一个诺贝尔奖，新型石墨烯组装膜未来上到航空航天，下到智能手机都可应用，其价值就更是大的不可估量了 在高超教授的办公室，记者见到了一片20厘米边长的石墨烯组装膜，看上去很像一片大大的即食海苔。高超介绍，这10微米厚的“海苔”，是由数千层单片石墨烯交叠而成的。实验测试表明，石墨烯膜可以耐受10万余次的弯曲，而不影响其导热导电性能，而且，在反复折叠6000次后仍没有断裂。此前性能最好的GPI最多只能反复折叠3次。同时这种石墨烯膜的导热率最高达到2053W/mK（瓦/米·度），接近理想单层石墨烯导热率的40%，创造了宏观材料导热率的新纪录。 图1. a) 市售智能手机背面；b) 手机处于待机状态；c) 用聚酰亚胺石墨化膜(GPI)作为手机散热膜；d) 同一部手机用新型石墨烯膜作为散热膜；e, f) 在(b), (c), (d) 三种状态下，手机的水平和垂直温度线的比较，表明石墨烯膜具有更好的散热降温效果。 柔软而高导热的性能，赋予我们无限的想象空间，比如，可折叠的手机、笔记本电脑，甚至卫星和航天器。课题组将这种石墨烯膜替代商用GPI膜，应用于手机散热膜上，发现手机CPU处的温度可以控制在33℃以下，相对商用GPI膜降低了6℃。如果把这层膜用到人造卫星上，就能很好地解决卫星的“向光背光”温差大的问题。 彭蠡说，电子元器件的散热是器件开发一项很重要的课题。它们“怕热”，是因为这些功率器件都有稳定工作的温度区间。随着温度的升高，器件工作的稳定性会下降，噪音升高，并且寿命降低。一般来说，温度提高8—10度，器件寿命会下降一半。据统计，电子产品失效的原因中，温度占比达到50%以上。 科学家是如何让石墨烯膜由“脆”变“柔”，并兼顾了良好的导热性能呢？高超说，团队提出了一种“大片微褶皱”的设计思路，在制备石墨烯膜的过程中引入了许多微小的褶皱，让石墨烯膜成为一种“能屈能伸”的材料。就像女孩们的百褶裙，裙摆可以展开很大。如此细小的褶皱怎么制造？高超团队想出了一种新颖的方法：将石墨烯膜高温加热，膜中的含氧官能团在高温下分解释放出气体，使石墨烯膜内部形成微气囊；再经过机械辊压成膜，微气囊的气体被排出，形成微褶皱。“就这么简单”，高超说。 图2. 石墨烯微褶皱的引入过程：高温加热还原形成微气囊，机械辊压形成微褶皱 论文截图，褶皱在折叠过程中极大增强了膜承受弯曲的能力 Advanced Science News评论认为，这项成果使得很多大面积多功能的二维材料能够应用到现实世界的柔性器件中，从航空航天到智能手机，不一而足。 Advanced Science News认为，这样的设计理念和实验策略能够拓展至其他二维纳米材料中。

杭州高烯 科技 有限公司 作为石墨烯领域的领军企业之一，在2020yarnexpo秋冬纱线展现场，以单层氧化石墨烯为核心材料， 首次推出的石墨烯多功能复合纤维及产品 ，迅速引发行业高度关注。 单层石墨烯多功能复合纤维兼具抗菌抑菌、抗病毒、远红外内暖、负离子发生、紫外防护、抗螨虫六大功能，各项指标远超国家标准，完全符合后疫情时代人们对 健康 纺织品的需求，以全球首创填补该领域市场空白。

十年磨一剑

从实验室走向量产

正如马克思所言，在科学上没有平坦的大道,只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。 浙江大学高超教授课题组 在2010年首次发表了把石墨烯和尼龙6原位聚合的文章，从此开启了石墨烯复合纤维的 探索 与实践之路。其后， 高超 创立了高烯 科技 ，通过浙江大学专利转让及公司自研发的方式，奋力推进产学研进展。从实验室基础研究走向工程化，走向商业量产，走向终端市场，高超教授带领高烯 科技 勇立潮头，攻坚克难，闯过了漫漫研发之路。

一路走来，高烯 科技 通过不断技术攻关与工艺优化，突破了单层氧化石墨烯高质量宏量制备、单层氧化石墨烯粉体稳定制备、单层石墨烯粉体展开原位聚合技术、均匀分散、石墨烯复合纤维高速纺丝等数十道关键技术。2019年，高烯 科技 单层氧化石墨烯生产线试车成功，目前可实现年产10吨级生产规模。同时，在单层率高达99%的石墨烯原料稳定量产基础上，高烯 科技 突破了石墨烯多功能复合纤维的核心量产技术，开发出石墨烯锦纶、涤纶、氨纶、腈纶、黏胶、莫代尔等多系列功能复合纤维。

“单层率达99%的石墨烯浆料，仅需千分之一的添加量就能实现诸多功能，且不会对纤维的触感、强度、韧性等性质造成不利影响。从技术层面来讲，原位聚合不同于普通的混合、掺杂，在使用过程中，石墨烯不会从纤维中脱离流失，保证了产品功能的持久性、本身的安全性及环境友好性。” 高烯 科技 研发中心副经理韩燚 说道。

据 高烯 科技 总经理汪洋 介绍，高烯 科技 是目前全球首个获得IGCC单层氧化石墨烯产品认证的企业。以单层氧化石墨烯为自产核心原料，高烯 科技 通过原位聚合及熔融纺丝制得了石墨烯改性复合纤维，也成为目前全球首个通过IGCC认证单层氧化石墨烯改性功能纤维的企业，彰显了中国纺织 科技 的力量。

多元化功能

以 科技 护航 健康 生活

2020年是国家“十三五” 健康 中国规划收官之年，也是全面建成小康 社会 的关键之年。悠悠民生、 健康 最大，没有全民 健康 ，就没有全面小康，今年的这场全民战疫进一步赋予“ 健康 中国”新的内涵和意义。高烯推出的石墨烯多功能复合纤维，从人们的 健康 出发，自带康护功能，并且不含重金属，通过了欧洲OEKO-TEX Standard 100纺织品信心100附录6最严安全环保检测，适用于婴幼儿纺织品。

“我们的石墨烯多功能复合纤维，既能向内增强细胞活力、提升免疫力、延缓衰老，又能向外抑制病毒细菌螨虫生长、屏蔽紫外线，多管齐下，协同呵护，全方位守护 健康 ，是居家、运动、商务、休闲的理想纺织面料。这样的功能纤维纺织品，还可广泛用于公共活动区域如医院、宾馆、休闲 娱乐 场所、学校、高铁、飞机、 汽车 等，可实现自动高效灭病毒、抗菌抑菌，大大减少交叉感染风险，开启康护纺织新时代。”汪洋说道。

今年以来，为迎合消费者对大 健康 纺织品的需求，高烯 科技 积极推动供给侧改革，立足原料，迈向终端，以新供给创造新需求，推出烯凤凰品牌首款产品——单层石墨烯多功能袜，其一经面世便收获了众多好评。即将推出的石墨烯远红外光灸毯，其远红外生命光波可促进血液循环，加强新陈代谢，达到改善睡眠、缓解疲劳、驱寒保暖等多重功效，尤其对肩颈、脊柱、腰腹、关节等部位有很好的理疗作用。接下来，单层石墨烯康护内衣、健身服、塑身服、烯丝毛巾、烯丝被等也将陆续面世，引领“穿睡出 健康 ”的全新生活方式。

当前，我国 社会 的主要矛盾是人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。在以“内循环”为主的新格局下，推动国内大循环，纺织行业必须坚持供给侧结构性改革这一主线，提高供给体系质量和水平,以新供给创造新需求，满足人民美好生活。石墨烯多功能复合纤维多元化功能融合，通过 科技 创新，为人们的美好生活提供了更好的选择。

整合产业链

携手上下游联动发展

独行者疾，众行者远。为了推动石墨烯多功能复合纤维产业的快速发展，高烯 科技 致力于打造一个多方受益的共赢链和价值链，立足单层氧化石墨烯原料，有效衔接纤维、纱线伙伴、面料伙伴和下游品牌客户，从源头引领产业链协同创新，共赢未来。

为此，高烯 科技 牵头成立了石墨烯多功能复合纤维共同体研究院（简称GCI），携手北京石墨烯研究院有限公司、厦门大学石墨烯工程与产业研究院、深圳石墨烯创新中心有限公司等数十家产业链机构开启合作共赢新时代。GCI的宗旨是，围绕“石墨烯多功能复合纤维”产业体系建设，整合产业链的优势人才、技术及资源，以提高产品创新力为核心，以市场需求为导向，集成“政产学研资用”等创新要素和资源要素，将研究院建设成为全球石墨烯功能纤维领域的权威共同体，促进共同体内成员的创新、创业和可持续发展，助力纤维强国、材料强国、制造强国和 科技 强国。

据汪洋透露，目前公司正在规划建设百吨级生产线，力求通过产能扩大降低生产成本，并计划通过8-10年的时间，让高烯石墨烯多功能复合纤维成为纤维领域的标配，让自带康护功能的终端纺织品走入寻常百姓家。“虽然目前我们也在延伸产业链，打造自己的品牌，但我们的最终目的是要实现C2B,通过成品推出让下游企业和消费市场切实体会到石墨烯多功能复合纤维制品带给人们的保 健康 复效果，从而带动B端客户的扩展，待到市场广泛运用后，我们会收缩战线，专注原材料的研发与扩产”。

从产业链延伸，到产业链收缩，这或许又是一个漫长的过程，但汪洋表示，单层氧化石墨烯从源头到终端产品，其核心技术都是国人自主研发，拥有自主知识产权，是中国纺织 科技 领先世界的典范，高烯 科技 将不忘初心，秉承“首创、极致、使命”的研发理念，从人们的 健康 出发，以实现企业价值和 社会 责任为己任，用实际行动诠释产业报国之志，护航人们美好生活，助力纺织工业高质量发展。