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石墨烯作为第一个被人类发现的二维原子晶体，具有优异的电学、光学、力学和热学性能，在能量存储、传感器、柔性显示器和碳材料等领域有着广阔的应用前景。如何将纳米级石墨烯片层的优异性能，通过设计、构筑和转化到宏观可用的石墨烯基材料中，是近年来国内外研究者关注的热点。石墨烯纤维作为石墨烯基宏观材料中重要的一种，在能量存储和传感器方面具有广阔的应用前景。本文针对目前制备石墨烯纤维所面临的工艺复杂，制备的石墨烯纤维性能差的问题，以石墨为原材料，制得氧化石墨烯溶液，通过湿法纺丝和干法纺丝技术，设计构建具有优异柔韧性和高强度的石墨烯纤维。
本文首先以石墨为原料，制备出具有较高品质的氧化石墨烯，其单层厚度为1.5nm，片层横向尺寸可达4μm。采用湿法纺丝技术，通过酸性凝固浴来改变氧化石墨烯片层的电荷性质和片层间距，促使初生氧化石墨烯纤维逐渐凝固和收缩成纤。化学还原后，石墨烯纤维的外表面仍分布着许多纵向褶皱，内部为层层堆积的致密结构，其断裂强度可达107.9MPa，伸长率为3.5％。电化学测试结果表明，石墨烯纤维电极具有较好的电容性能，在30μA恒电流下，其比电容可达4.3mF/cm2。湿法纺丝技术还可用于制备石墨烯基复合纤维。将氧化石墨烯与聚苯胺复合，利用湿法纺丝技术制备了石墨烯-聚苯胺复合纤维。石墨烯-聚苯胺复合纤维具有蜂窝状的内部结构，片层石墨烯作为框架结构，聚苯胺作为填充物，均匀的分布在复合纤维内部。石墨烯-聚苯胺复合纤维的断裂强度为28.9MPa，断裂伸长率为7.3％。石墨烯-聚苯胺复合纤维电极在充放电电流为0.8mA时，比电容可达4.1mF/cm2。
为了简化石墨烯纤维的制备工艺和提高石墨烯纤维的性能，在干法纺丝技术中采用高温气流，制备石墨烯纤维。初生氧化石墨烯纤维在高温气流作用下迅速收缩成纤并固定成型。还原后，制备的石墨烯纤维外表面具有十分明显的纵向褶皱，这是氧化石墨烯片层在高温气流作用下，迅速收缩成纤的结果。石墨烯纤维具有优良的柔韧性，断裂伸长率可达14.8％，同时具有较高的机械强度，断裂强度可达127.5MPa。石墨烯纤维电极，在20μA恒电流下，其比电容可达7.8mF/cm2。此外，结合湿法纺丝和干法纺丝的纺丝工艺，采用同轴体系，成功制备了中空石墨烯纤维。中空石墨烯纤维具有完整的空腔结构，腔壁的外表面同样具有褶皱结构。中空石墨烯纤维的断裂强度可达118.5MPa，其断裂伸长率为3.2％。在电流为15.8μA时，中空石墨烯纤维的比电容为1.6mF/cm2。
通过比较上述四种纤维的电化学性能和力学性能，选取柔性石墨烯纤维为基材，探究石墨烯纤维在超级电容器和传感器方面的应用。制备了平行板式超级电容器(GFS)和柔性纤维状超级电容器(FSS)。电化学测试结果显示，GFS具有循环伏安稳定性和快速充放电性能。在10，000次循环充放电后，GFS-0.3的比电容仍能保持原有80.1％，展现出优异的循环稳定性。在电流为50.7μA时，GFS-0.3的面积比电容为0.98mF/cm2。FSS具一定的柔韧性和优良的电化学性能，在打结状态下，FSS的电化学性能仍然保持一定的稳定性。在打结状态下，FSS的比电容有所升高，在电流为25.36μA时，其比电容比正常状态下FSS的比电容升高了10.3％，可达0.21mF/cm2。在电流密度为2.02μA时，FSS的能量密度为4.6mWh/cm3(23.3μWh/cm2)，功率密度为0.7W/cm3(3.4 mW/cm2)，展现出优良的能量存储能力。
石墨烯纤维用于制备可穿戴G-Fs传感器，并将其应用于检测人体相关运动。G-Fs传感器具有优良的灵敏度、循环稳定性和准确性，角度检测范围可达120度，反应速度可达70ms。在不同弯曲速度和不同弯曲形式下，G-Fs传感器的电阻变化都展现出优良的稳定性、准确性和可重复性。G-Fs传感器安装在人体不同的部位处，如手指、手腕和手臂处，可分别检测手指的弯曲状态，手掌的抓握状态和胳膊的伸展状态。G-Fs传感器在检测人体相关运动时，同样展现出优良的灵敏度、可重复性和稳定性。
综上，以制备的氧化石墨烯为基材，分别采用湿法和干法纺丝技术，制备了具有优异柔韧性和较高强度的石墨烯纤维。制备的石墨烯纤维在超级电容器和传感器应用方面展现出优异的性能。因此，本论文研究成果对石墨烯纤维的制备及其在能量存储和可穿戴传感器方面提供了理论依据和技术指导。
本文首先以石墨为原料，制备出具有较高品质的氧化石墨烯，其单层厚度为1.5nm，片层横向尺寸可达4μm。采用湿法纺丝技术，通过酸性凝固浴来改变氧化石墨烯片层的电荷性质和片层间距，促使初生氧化石墨烯纤维逐渐凝固和收缩成纤。化学还原后，石墨烯纤维的外表面仍分布着许多纵向褶皱，内部为层层堆积的致密结构，其断裂强度可达107.9MPa，伸长率为3.5％。电化学测试结果表明，石墨烯纤维电极具有较好的电容性能，在30μA恒电流下，其比电容可达4.3mF/cm2。湿法纺丝技术还可用于制备石墨烯基复合纤维。将氧化石墨烯与聚苯胺复合，利用湿法纺丝技术制备了石墨烯-聚苯胺复合纤维。石墨烯-聚苯胺复合纤维具有蜂窝状的内部结构，片层石墨烯作为框架结构，聚苯胺作为填充物，均匀的分布在复合纤维内部。石墨烯-聚苯胺复合纤维的断裂强度为28.9MPa，断裂伸长率为7.3％。石墨烯-聚苯胺复合纤维电极在充放电电流为0.8mA时，比电容可达4.1mF/cm2。
为了简化石墨烯纤维的制备工艺和提高石墨烯纤维的性能，在干法纺丝技术中采用高温气流，制备石墨烯纤维。初生氧化石墨烯纤维在高温气流作用下迅速收缩成纤并固定成型。还原后，制备的石墨烯纤维外表面具有十分明显的纵向褶皱，这是氧化石墨烯片层在高温气流作用下，迅速收缩成纤的结果。石墨烯纤维具有优良的柔韧性，断裂伸长率可达14.8％，同时具有较高的机械强度，断裂强度可达127.5MPa。石墨烯纤维电极，在20μA恒电流下，其比电容可达7.8mF/cm2。此外，结合湿法纺丝和干法纺丝的纺丝工艺，采用同轴体系，成功制备了中空石墨烯纤维。中空石墨烯纤维具有完整的空腔结构，腔壁的外表面同样具有褶皱结构。中空石墨烯纤维的断裂强度可达118.5MPa，其断裂伸长率为3.2％。在电流为15.8μA时，中空石墨烯纤维的比电容为1.6mF/cm2。
通过比较上述四种纤维的电化学性能和力学性能，选取柔性石墨烯纤维为基材，探究石墨烯纤维在超级电容器和传感器方面的应用。制备了平行板式超级电容器(GFS)和柔性纤维状超级电容器(FSS)。电化学测试结果显示，GFS具有循环伏安稳定性和快速充放电性能。在10，000次循环充放电后，GFS-0.3的比电容仍能保持原有80.1％，展现出优异的循环稳定性。在电流为50.7μA时，GFS-0.3的面积比电容为0.98mF/cm2。FSS具一定的柔韧性和优良的电化学性能，在打结状态下，FSS的电化学性能仍然保持一定的稳定性。在打结状态下，FSS的比电容有所升高，在电流为25.36μA时，其比电容比正常状态下FSS的比电容升高了10.3％，可达0.21mF/cm2。在电流密度为2.02μA时，FSS的能量密度为4.6mWh/cm3(23.3μWh/cm2)，功率密度为0.7W/cm3(3.4 mW/cm2)，展现出优良的能量存储能力。
石墨烯纤维用于制备可穿戴G-Fs传感器，并将其应用于检测人体相关运动。G-Fs传感器具有优良的灵敏度、循环稳定性和准确性，角度检测范围可达120度，反应速度可达70ms。在不同弯曲速度和不同弯曲形式下，G-Fs传感器的电阻变化都展现出优良的稳定性、准确性和可重复性。G-Fs传感器安装在人体不同的部位处，如手指、手腕和手臂处，可分别检测手指的弯曲状态，手掌的抓握状态和胳膊的伸展状态。G-Fs传感器在检测人体相关运动时，同样展现出优良的灵敏度、可重复性和稳定性。
综上，以制备的氧化石墨烯为基材，分别采用湿法和干法纺丝技术，制备了具有优异柔韧性和较高强度的石墨烯纤维。制备的石墨烯纤维在超级电容器和传感器应用方面展现出优异的性能。因此，本论文研究成果对石墨烯纤维的制备及其在能量存储和可穿戴传感器方面提供了理论依据和技术指导。