石墨烯增强碳纤维可能为制造更坚固、更便宜的复合材料提供途径
正如石墨烯委员会发布的那样，橡树岭国家实验室（ORNL，美国田纳西州橡树岭）、弗吉尼亚大学（UVA，美国弗吉尼亚州夏洛茨维尔）和宾夕法尼亚州立大学（宾夕法尼亚州立大学帕克分校）的研究人员., 美国）在 2020 年 4 月的Science Advances 上发表了研究 , 基于先前使用碳纳米管 (CNT) 和氧化石墨烯 (GO) 液体的研究，评估使用原始石墨烯作为碳纤维前驱体纤维聚丙烯腈 (PAN) 溶液的添加剂。
作者解释了添加 CNT 不仅可以优化 PAN 纺丝原液和凝固参数，而且还可以作为聚合物链排列和取向的模板和聚合物结晶的成核剂。他们引用了 Chae et al 的研究 .据报道，添加 1.0 wt% 碳纳米管后，碳纤维模量增加了 49%，强度增加了 64%。碳纳米管的加入也被证明可以降低碳化温度，这可以显着降低碳纤维（CF）制造过程中的能源消耗。
作为一种单层二维碳同素异形体，石墨烯表现出优于碳纳米管的性能，包括更大的表面积、优异的电子迁移率、更高的拉伸强度和杨氏模量。然而，最近使用氧化石墨烯（GO）液晶制备碳纤维的实验导致纤维由于固有排列和结晶度差而拉伸强度低于平均水平。
ORNL、UVA 和宾夕法尼亚州立大学的研究人员从理论上说，原始石墨烯可能是比 CNT 和 GO 更好的添加剂，用于 PAN 基碳纤维，将少量剪切剥离的原始石墨烯（0.01 至 1.0 重量％）添加到 PAN/二甲基亚砜 (PAN/DMSO) 溶液来微调 PAN 纺丝原液的特性。结果表明，含有 0.075 wt% 石墨烯的 PAN/石墨烯基碳纤维的拉伸强度为 1916 MPa，杨氏模量为 233 GPa——与不含石墨烯的 PAN 碳纤维相比，强度增加了 225%，模量增加了 184%。 /P>
此外，大规模分子动力学模拟结果表明，添加石墨烯可引入有利的边缘化学，提高碳含量，增强聚合物链排列并提高结晶度。
作者声称这些结果不仅扩展了对基于 PAN 的碳纤维生产的理解，而且还为开发由石墨烯增强的低成本替代前体纤维奠定了基础，这可能会产生比当前的 PAN 具有卓越性能和更低成本的碳纤维。基于产品。
纤维