石墨烯纤维是一种由石墨烯片沿着一维方向宏观组装形成的新型碳质纤维。2011年,浙江大学高超教授发现,氧化石墨烯的分散液在一定浓度下会呈现出奇异的液晶取向行为。受到这一现象的启发,高超教授课题组利用湿法纺丝技术制备出宏观连续的氧化石墨烯纤维。氧化石墨烯纤维经过还原之后就转化成石墨烯纤维。由于是以石墨烯作为唯一的构筑基元,石墨烯纤维在力学强度、导电性以及导热性等方面有潜力超越传统的碳质纤维,如碳纤维、石墨纤维和碳纳米管纤维。而在结构上石墨烯纤维的优势更为突出,石墨烯片层多级构筑的形式极易使其它维度的分子进行负载,进而得到多功能的复合纤维;石墨烯片在相互堆叠的过程中,内部及表层形成丰富的褶皱,使石墨烯纤维成为一种高柔性的电子材料。过去几年,在国内外多个实验室的共同努力下,石墨烯纤维的性能有了大幅度的提升,结构调控的方法也有了长足的进步,这为石墨烯纤维带来广泛的应用空间。目前研究人员已经利用石墨烯纤维优异的电学性能和机械性能将其成功应用在纤维状电容器、可穿戴电池、复合织物、应力传感器和分子检测等诸多领域。本文从石墨烯纤维的内部结构优化和宏观设计出发,对石墨烯纤维进行了性能的提升,并发掘和拓展了其在能量转换领域的应用。主要内容如下:1.以氧化石墨烯的液晶织构作为模板,利用湿法纺丝的技术实现了二维晶体纳米蒙脱土的宏观连续组装。这是二维晶体在一维宏观组装领域的一个突破。这种方法成功将纳米蒙脱土良好的耐热能力和石墨烯的导电性能相结合,解决了石墨烯纤维在空气中耐热性能不足的问题,得到耐火的导电纤维。2.利用石墨烯纤维表面的多级褶皱解决了石墨烯和金属之间结合能力弱的问题,制备出结构稳定的石墨烯-金属复合纤维。与金属复合后,石墨烯纤维的导电率提升到金属级别,并且可以在空气中稳定使用。通过控制石墨烯纤维表面的金属镀层厚度,制备出电阻温度系数接近于零的纤维。这种纤维在极宽的温度范围内电阻不随温度的变化而发生变化。石墨烯-金属纳米颗粒复合纤维在热电偶材料、热学传感器等领域具有良好的应用前景。3.提出了连续加捻工艺,以氧化石墨烯膜作为原料制备出高柔性的手性氧化石墨烯纤维,可用作高灵敏度的液相驱动系统。利用加捻的方法在纤维内部储存大量的应力势能,从而使纤维可以在极性溶剂的刺激下释放出能量,并发生方向及速率可控的转动。将加捻后的氧化石墨烯纤维组合成驱动系统,可以通过调整手性的分布来精确收集动能、电能和重力势能。4.开发了可编织的中红外通讯系统。将石墨烯纤维放在电极之间输入焦耳热可以使其发射中红外光,红外光的发射频率可以通过调节交流电压的频率调控到100MHz。基于灰体辐射的机理,我们证明了在相同条件下石墨烯纤维具有比单层石墨烯高一个数量级的能量辐射效率。同时,石墨烯纤维在波长为1到10微米的红外光辐射下有很强的光电响应,这种光电响应归因于金属和石墨烯之间的结效应。用石墨烯纤维同时作为中红外光的发射源和接收源构筑了一个双向中红外通讯系统,并且可以编织在衣物上,有望用于航空航天和军事国防等前沿领域。总之,我们从石墨烯的结构特点和基本性能出发,提升了石墨烯纤维的耐火能力、导电性以及柔性等性能,并研究了它们在能量收集系统和中红外通讯等若干能量转换领域的应用。