高性能纤维是航空航天、建筑工程和智能机器人等现代工业不可或缺的材料。然而，该领域长期面临一个根本性矛盾：提升纤维的拉伸强度通常需要减小其直径，但这会急剧降低其抗弯刚度，导致材料在侧向应力下易变形或断裂。受制于格里菲斯定律，随着纤维直径增加，缺陷尺寸呈指数级增长，使得强度和模量迅速衰减。尽管研究人员尝试了树脂浸渍、提高牵伸比等多种方法，但制备同时具备高强度和高刚度的厚纤维始终是巨大挑战。

受自然界生物材料（如树干）多级组装结构的启发，浙江大学高超教授、许震长聘副教授、畅丹博士团队提出了一种“融合诱导缺陷抑制策略”，通过多尺度融合纺丝技术，将数百根氧化石墨烯凝胶细丝融合成一根致密、结构规整的厚纤维。所得融合纺丝石墨烯纤维（FSGF）实现了前所未有的性能组合：直径100 μm的纤维拉伸强度高达3.0 GPa，抗弯刚度达到1.6×10⁶ N·μm²，较凯夫拉纤维（典型值~10² N·μm²）高出约四个数量级（即10⁴倍以上）。该纤维还兼具优异的导热（1390 W／(m·K)）和导电性能（1.2×10⁶ S／m），并成功应用于机器人的翅脉、足部和爪部，在0至7级强风、pH 0至14的强酸碱以及4 K至2000 K的超宽温域等极端环境中保持稳定工作。相关论文以“Bioinspired strong and rigid fusion-spun graphene fibers for harsh robotics”为题，发表在Science Advances上，论文第一作者为博士生张祎玮。

从仿生设计到连续化制备

研究团队以氧化石墨烯（GO）为模型材料，利用其大尺度构象转变、易加工和自粘附特性，设计了多孔纺丝头（孔数从2到400个，单孔直径80 μm）挤出纺丝液。经过凝结、塑化拉伸后，多根取向的凝胶细丝在含水与乙醇的膨胀浴中溶胀比高达600%，随后在牵出干燥过程中连续融合成单根粗纤维，再经热处理得到FSGF。

图1 仿生多层级融合纺丝制备FSGF

结构规整性突破

与相同直径的传统湿纺石墨烯纤维（DSGF）相比，FSGF在轴向和径向均展现出卓越的结构规整性。沿50 mm长纤维，FSGF的直径标准差始终低于3 μm，而DSGF则从4 μm剧增至26 μm。在圆形度方面，100 μm厚的FSGF圆形度高达0.51，接近完美圆（0.56），而DSGF仅为0.14。白光干涉测量表明FSGF表面粗糙度仅2.5 μm，远低于DSGF的7.5 μm。密度测试显示，随直径增加FSGF密度稳定在1.94 g／cm³左右，而DSGF密度从1.83降至1.62 g/cm³，表明DSGF存在严重芯鞘结构。聚焦离子束-扫描电镜（FIB-SEM）三维重构证实，FSGF中心与边缘孔隙率均约0.1%，且平均孔隙体积仅7.3×10⁻⁴ μm³，为DSGF的万分之一；典型缺陷宽度仅19 nm，而DSGF达113 nm。小角X射线散射（SAXS）和广角X射线散射（WAXS）表明，FSGF的取向度随直径增加保持在0.9以上，而DSGF从0.77降至0.51。高分辨透射电镜（HR-TEM）显示FSGF沿纤维轴方向呈现石墨化层状晶畴，层间距0.335 nm，而DSGF层间距为0.35 nm且堆垛紊乱。

图2 FSGF跨尺度的结构规整性

力学性能与多功能集成

优异的规整性赋予FSGF卓越且均一的力学性能。20 μm厚的FSGF拉伸强度达3.6 GPa，远高于同厚度DSGF的1.4 GPa。当直径从7 μm增至100 μm，FSGF强度保持在3.0 GPa以上，而DSGF骤降至87 MPa。FSGF的强度与直径关系为σ~D-0.1，几乎消除了传统σ~D-1.1的尺寸敏感性。此外，FSGF的拉伸强度不随测试长度增加而明显降低，而DSGF在测试长度从5 mm增至100 mm时强度衰减达85%。三点弯曲测试显示，100 μm厚FSGF的抗弯刚度达1.6×10⁶ N·μm²，较同直径DSGF高出四个数量级以上。该纤维综合比强度（1.6×10³ MPa·g⁻¹·cm³）和比抗弯刚度（8.5×10⁵ N·μm²·g⁻¹·cm³）填补了传统高性能纤维（金属纤维高刚低强，碳纤维等高强低刚）的性能空白。此外，FSGF在4 K至2000 K超宽温域及pH 0-14的强酸碱环境中，其ID/IG比值（0.06）、取向度和层间距均保持稳定，经过30天浸泡或100次冷热冲击循环后性能无明显衰减。

图3 FSGF的力学性能、热学与电学性能及极端环境耐受性

极端环境机器人应用

基于上述特性，研究团队将FSGF应用于微型飞行器和机器人的关键部件。作为仿蜻蜓飞行器的翅脉，在7级强风下，FSGF基机翼偏转角仅5°，而钢丝基机翼达43°；在相同初始转速下，FSGF基飞行器0.6 s内飞行高度达22 cm，远超钢丝基的5 cm。作为蜘蛛机器人的足部，FSGF足可在pH 0和pH 14的强酸碱溶液中稳定行走。作为微型夹持器的爪部，在强酸或液态镓（70 °C）中，FSGF爪能持续抓取释放0.3 g珠子，而钢丝爪在5 s内即被腐蚀断裂。尤为引人注目的是，200 μm厚的FSGF能在两端分别处于77 K（液氮）和2000 K（火焰）的极端温差下，稳定承受0.1 N侧向力而不变形。基于FSGF的机械爪在77 K和2000 K环境中均能稳定抓取释放0.6 g重物，且经过100次冷热冲击循环后，其拉伸强度和抗弯刚度保持率均在96%以上。

图4 FSGF集成微型机器人在恶劣环境中的多功能性

总结与展望

本研究通过多尺度融合纺丝策略，成功制备了兼具超高强度（3.0 GPa）和卓越抗弯刚度（1.6×10⁶ N·μm²）的石墨烯纤维，突破了格里菲斯定律的传统限制，同时赋予纤维优异的热学、电学及环境耐受性。该纤维在仿生飞行器、智能机器人及极端环境工程中展现出巨大应用潜力。此项工作为高性能结构材料设计、仿生功能开发以及恶劣环境下机器人技术的发展开辟了新途径。

（来源：高分子科学前沿）