在第八屆江蘇(盛澤)紡織品博覽會(huì)暨第二十一屆中國(guó)盛澤絲綢旅游文化節(jié)舉辦之際，10月29日，2020國(guó)際先進(jìn)功能性纖維時(shí)尚可持續(xù)高峰論壇在“絲綢古鎮(zhèn)、紡織名城、時(shí)尚之都”——蘇州市吳江區(qū)盛澤鎮(zhèn)拉開(kāi)帷幕。本次大會(huì)以“新活力 · 新動(dòng)力 · 新潛力”為主題，以“國(guó)際性、前瞻性、導(dǎo)向性、時(shí)尚性”為基調(diào)，邀請(qǐng)行業(yè)人士共話功能纖維創(chuàng)新，暢想纖維發(fā)展前景。

圖1 Konstantin Novoselov教授發(fā)表視頻演講

2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、英國(guó)皇家科學(xué)院院士、英國(guó)國(guó)家石墨烯研究院首席科學(xué)家、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)榮譽(yù)教授、新加坡國(guó)立大學(xué)教授Konstantin Novoselov發(fā)表了題為《石墨烯在智能紡織品中的應(yīng)用》的視頻演講(圖 1)，基于其多年來(lái)對(duì)石墨烯的研究成果與經(jīng)驗(yàn)，介紹了石墨烯的性能特點(diǎn)、制備方法及其在柔性電子和智能紡織品中的應(yīng)用實(shí)例。

什么是石墨烯?

聚焦石墨烯的性能特點(diǎn)及制備方法

石墨烯的結(jié)構(gòu)是碳原子緊密堆積而成的單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)(圖2)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但卻擁有諸多優(yōu)點(diǎn)。它是目前最薄的材料之一，具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、優(yōu)異的柔性強(qiáng)度……石墨烯集合了上述所有優(yōu)點(diǎn)于一體。石墨烯的相關(guān)性能使其具有前景廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，例如復(fù)合材料、薄膜、柔性電子、能源、生物應(yīng)用等，其中很多相關(guān)應(yīng)用均已面市。

圖 2 石墨烯的結(jié)構(gòu)

關(guān)于石墨烯的制備方法，最初的研究方式是對(duì)石墨采取機(jī)械剝離法，但這種方式并不具有可持續(xù)性，而且從石墨中提取的石墨烯可控性較差。隨后，Konstantin Novoselov教授的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了更多分離石墨烯的新方法，根據(jù)預(yù)算多少、對(duì)成品質(zhì)量的需求，可以采用不同方法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。例如采用自上而下的液相剝離法(LPE)，這種方法和機(jī)械剝離有異曲同工之處，通過(guò)破壞石墨層與層之間的范德華力來(lái)制備石墨烯。另一種方法是化學(xué)氣相沉積法(CVD)，即利用含碳化合物作為碳源，通過(guò)其在基體表面的高溫分解生長(zhǎng)出石墨烯;此外還有許多其他的制備方法。這些大規(guī)模生產(chǎn)制備方法的研發(fā)成功，使石墨烯在電子、復(fù)合材料、能源和生物等現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多樣化。

石墨烯如何應(yīng)用(一)?

聚焦石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用案例

石墨烯的發(fā)展路徑與碳纖維、碳納米管的發(fā)展路徑十分相像，首先研究人員將其作為復(fù)合材料應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品中，從而使專(zhuān)業(yè)人員發(fā)揮出高水準(zhǔn)表現(xiàn)，例如輕量化網(wǎng)球拍。2017年，理查德米勒(Richard Mille)攜手McLaren打造了一款世界上最輕(32g)、最昂貴的手表，運(yùn)用石墨烯材料和極盡鏤空的部件，實(shí)現(xiàn)了空前的超輕重量，價(jià)值100萬(wàn)法郎(圖 3)。

圖 3 Richard Mille攜手McLaren打造了世界上最輕、最昂貴的手表

同時(shí)，Konstantin Novoselov研究團(tuán)隊(duì)與英國(guó)汽車(chē)制造商合作，生產(chǎn)了一款世界上最輕、時(shí)速快、造價(jià)高的汽車(chē)(圖 4)，其中采用了石墨烯基復(fù)合材料作為車(chē)身。選擇采用石墨烯的原因不僅僅因?yàn)槠洳牧系母邚?qiáng)度，或是其可以減輕車(chē)身重量，還因?yàn)槭┏善返母邔?dǎo)熱性能可以加快零件散熱的速率。幾年前，有一半的福特車(chē)型引擎蓋下的組件采用了與石墨烯混合的泡沫材料，然而最初的意外決定，使研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯材料可以提升汽車(chē)引擎的降噪性能。

圖 4 Konstantin Novoselov研究團(tuán)隊(duì)與英國(guó)汽車(chē)制造商合作生產(chǎn)的汽車(chē)

石墨烯如何應(yīng)用(二)?

聚焦石墨烯在跨界領(lǐng)域的科技應(yīng)用

石墨烯的熱傳導(dǎo)率高達(dá)1000 W/(m · K)，遠(yuǎn)超過(guò)其他材料的熱傳導(dǎo)率，因此被廣泛應(yīng)用于熱量管控領(lǐng)域，可用于手機(jī)或其他新的應(yīng)用中，例如華為公司就看中了石墨烯優(yōu)異的熱量傳導(dǎo)管控性能，并加以應(yīng)用。

近日，Konstantin Novoselov研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究石墨烯的光電子應(yīng)用，其中最具前景的應(yīng)用是光電探測(cè)器。它是由石墨烯與量子點(diǎn)電荷傳感器制成的，通過(guò)對(duì)量子點(diǎn)施加一定光壓，可感應(yīng)到電荷的存在;加入石墨烯可以快速地與其他組件相集成，并具有高感應(yīng)度。同時(shí)，石墨烯與不同組件相集成的復(fù)合材料可以用在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，具有廣闊應(yīng)用前景。

近期，硅光子技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用在電訊領(lǐng)域。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，12μm的圈環(huán)可以大大提升信號(hào)傳輸速度，并可制作成不同的器件，其中石墨烯發(fā)揮著舉足輕重的作用，其高載流子遷移率可大大提升無(wú)線電信號(hào)的速度。目前，基于相位調(diào)制器的電訊裝置已經(jīng)面世，并被世界上諸多領(lǐng)先企業(yè)投入試驗(yàn)使用。

此外，石墨烯還可用于生物學(xué)中的生物傳感應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)表面進(jìn)行石墨烯改性處理，使其可以感應(yīng)特定情景;也可以鏈接基本的石墨烯材料以抵抗病毒(圖5)，這點(diǎn)對(duì)于疫情肆虐的當(dāng)下尤為重要。

圖 5 鏈接石墨烯材料以抵抗病毒

石墨烯如何應(yīng)用(三)?

聚焦石墨烯在智能紡織品上的應(yīng)用

Konstantin Novoselov研究團(tuán)隊(duì)加大了石墨烯相關(guān)領(lǐng)域的研究力度，并將相關(guān)研究成果應(yīng)用在智能紡織品或個(gè)人防護(hù)裝備上。

石墨烯可應(yīng)用于打印RFID標(biāo)簽以及紡織品上，其具有多種存在形式，如石墨烯粉末、石墨烯懸浮液或石墨烯導(dǎo)電漿料等，用來(lái)制作各種各樣的電子配件。應(yīng)用于可打印的RFID標(biāo)簽時(shí)，通過(guò)采用石墨烯導(dǎo)電漿料打印出的H型標(biāo)簽或UH型標(biāo)簽均有不俗表現(xiàn)，但很難使用其他二維材料打印出這種類(lèi)型的標(biāo)簽(圖6)。

圖 6 可打印的RFID標(biāo)簽

為什么選擇石墨烯?

其原因主要有以下幾點(diǎn)：

(1)石墨烯導(dǎo)電漿料可以直接印刷在紙張上，無(wú)需其他操作;

(2)技術(shù)具有生態(tài)環(huán)保性;

(3)該材料具有良好的柔韌性;

(4)最重要的是可打印技術(shù)具有靈活可變性，減少了傳統(tǒng)鋁蝕刻所造成的浪費(fèi);使材料成本和技術(shù)成本最小化?；诖耍呀?jīng)有企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)綠色環(huán)保的石墨烯RFID標(biāo)簽(圖7)。不需要使用太多設(shè)備，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多材料浪費(fèi)，只需要使用很少量的石墨烯導(dǎo)電漿料，再次彰顯了該項(xiàng)技術(shù)的價(jià)格合理性以及生態(tài)友好性。

圖 7 企業(yè)生產(chǎn)綠色環(huán)保的石墨烯RFID標(biāo)簽

除此之外，還有許多其他的應(yīng)用可能性，RFID應(yīng)用中需要在電子標(biāo)簽中集成傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、電傳感器、壓力傳感器、磁感應(yīng)傳感器等;并且可嘗試使用改性傳感器，集成不同的信號(hào)，傳導(dǎo)不同的結(jié)果。

例如采用了石墨烯改性紗線制成面料，使其可以感知溫度。石墨烯材料具有穩(wěn)定性，可用于成衣使用或可穿戴服裝中。Konstantin Novoselov研究團(tuán)隊(duì)做了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，將吹風(fēng)機(jī)置于石墨烯RFID標(biāo)簽的上方使其升溫，雖然沒(méi)有和電腦相連，僅僅放在電腦旁邊就可以將相關(guān)溫度信息傳輸?shù)诫娔X上(圖 8);將手指放在標(biāo)簽上面，可以良好地感知到溫度的升降;說(shuō)明了石墨烯RFID標(biāo)簽優(yōu)良的傳感性能。

圖 8 將吹風(fēng)機(jī)置于石墨烯RFID標(biāo)簽的上方使其升溫

石墨烯與紡織品還可以如何結(jié)合應(yīng)用?

一般有兩種結(jié)合應(yīng)用方式：

(1)可采用還原氧化石墨烯溶液對(duì)纖維進(jìn)行改性浸涂處理，烘干后可得到石墨烯改性纖維;對(duì)紗線進(jìn)行石墨烯涂層處理后，獲得的功能性紗線可用于傳感器或是連接傳導(dǎo)。

(2)在面料表面直接涂覆，之后通過(guò)軋壓工藝強(qiáng)化涂層，工藝的選擇主要取決于最終的應(yīng)用領(lǐng)域。這兩個(gè)方式均可以用于如智能紡織產(chǎn)品的傳感器、可穿戴電池或RFID標(biāo)簽上，起到連接作用。

此外，運(yùn)用石墨烯傳感器還可以感應(yīng)到壓力變化(圖 9)，例如將傳感器放置在衣服的不同位置，當(dāng)軀干彎曲時(shí)，傳感器輸出的曲線也會(huì)隨之發(fā)生變化，因此可以輕松地根據(jù)曲線判斷阻力所發(fā)生的變化，依此衡量活動(dòng)中胳膊或肘部的阻力大小。傳感器可以感知的阻力變化范圍高達(dá)10%，這種方式遠(yuǎn)比電子器件衡量法更舒適;并且水洗后的傳感器測(cè)試結(jié)果并沒(méi)有太大變化。

圖9 石墨烯傳感器還可以感應(yīng)到壓力變化

石墨烯有什么特別之處呢?

石墨烯是零帶隙半金屬材料，這就意味著這些點(diǎn)之間不同尋常的帶隙能賦予它與眾不同的電子性質(zhì)，石墨烯帶隙所具有的特性可以更好地為大家所用。例如，當(dāng)測(cè)量石墨烯的光學(xué)特性時(shí)，它具有非常寬的光吸收頻譜，這一特性尤為重要，由于泡利阻塞原理，石墨烯的帶間躍遷被阻止;此時(shí)石墨烯的光子帶易于飽和，光子能夠無(wú)損耗地通過(guò)，即使在非飽和狀態(tài)石墨烯也可以改變空間入射光的反射系數(shù)以及材料的吸收特性，這一點(diǎn)通常會(huì)應(yīng)用在紡織品生產(chǎn)中。首先在背面涂有導(dǎo)電涂層的織物表面沉積多層石墨烯，在石墨烯層和導(dǎo)電涂層施加電壓后，導(dǎo)電涂層中的電解質(zhì)電離出的離子經(jīng)過(guò)織物可逆地進(jìn)入石墨烯層中，使得石墨烯的分子團(tuán)相互摩擦、碰撞，從而改變織物的反射性能，并由此改變其表面溫度。同時(shí)，由于石墨烯的柔軟特性，可以輕松地將其彎折。當(dāng)使用紅外攝像機(jī)測(cè)量溫度時(shí)，不施加電壓時(shí)卻測(cè)量到了溫度表現(xiàn);而當(dāng)施加電壓時(shí)，其表觀溫度不是實(shí)際的溫度，并且實(shí)際溫度不隨表觀溫度的變化而改變。

如何將石墨烯與面料相結(jié)合?

由于石墨烯是晶體結(jié)構(gòu)，不能直接拉扯，因此可生產(chǎn)具有彈力的面料，先將面料拉伸開(kāi)，隨后將石墨烯附在面料表面，石墨烯十分柔軟，可直接按壓;當(dāng)拉伸面料時(shí)，表觀溫度也隨之變化(圖10)。

圖10 石墨烯與面料相結(jié)合

因此，相關(guān)材質(zhì)可以用在一些更復(fù)雜的應(yīng)用上，通過(guò)改變電極的排布，通以不同大小的電壓，賦予不同的性能，應(yīng)用于服裝上具有快速改變穿戴者表觀溫度的功能;并且相關(guān)變化只能通過(guò)紅外設(shè)備才能看到不同波長(zhǎng)所傳遞的信息，可以將這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用在保密通信領(lǐng)域，只能在特定環(huán)境如紅外攝像頭下才可以讀取相關(guān)消息(圖11)。

圖11 應(yīng)用于服裝上可以快速改變穿戴者表觀溫度

目前，石墨烯材料已經(jīng)用于紡織品領(lǐng)域之中，相關(guān)的需求將出現(xiàn)增長(zhǎng)。任何新的應(yīng)用都需要研究如何對(duì)石墨烯進(jìn)行改性處理，如何使其滿足功能化應(yīng)用，因此相關(guān)的配方和生產(chǎn)工藝需要同步升級(jí)。同時(shí)，一些其他的二維晶體材料也開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，如作為傳感器進(jìn)行使用等。Konstantin Novoselov教授認(rèn)為前景最好的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榭纱┐麟娮悠骷鞲衅?、可穿戴電池以及互連線等。