石墨烯增强碳纤维：更强更具成本效益复合材料新路径
据Graphene Council发布，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，美国夏洛茨维尔）和宾夕法尼亚州立大学（Penn State，美国大学公园）研究人员在2020年4月《Science Advances》发表研究，评价原始石墨烯作为添加剂用于聚丙烯腈（PAN）溶液制造碳纤维前驱体纤维，基于此前用碳纳米管（CNTs）和氧化石墨烯（GO）液体的研究。
作者解释添加CNTs不仅能优化PAN纺丝dope和凝固参数，还同时作为聚合物链排列取向模板和聚合物结晶成核剂。引用Chae等人研究，添加1.0 wt%碳纳米管报告碳纤维模量提升49%、强度提升64%。CNTs添加也被证明降低碳化温度，可显著减少碳纤维（CF）制造能耗。
作为单层二维碳同素异形体，石墨烯展现优于CNTs的性能：更大比表面积、更优电子迁移率、更高抗拉强度和杨氏模量。但近期用氧化石墨烯（GO）液晶制造碳纤维实验，因其本征取向和结晶度差，导致纤维抗拉强度不佳。
推测原始石墨烯可能比CNTs和GO更适合PAN基碳纤维添加剂，ORNL、UVA和Penn State研究人员向PAN/二甲基亚砜（PAN/DMSO）溶液添加少量剪切剥离原始石墨烯（0.01至1.0 wt%），微调PAN纺丝dope性能。结果显示，含0.075 wt%石墨烯的PAN/石墨烯基碳纤维表现出1916 MPa抗拉强度和233 GPa杨氏模量——较无石墨烯PAN碳纤维强度提升225%、模量提升184%。
此外，大规模分子动力学模拟结果显示，添加石墨烯引入有利边缘化学，促进碳含量，增强聚合物链取向并增加结晶度。
作者称这些结果不仅扩展对PAN基碳纤维生产的理解，也为开发石墨烯增强的低成本替代前驱体纤维奠定基础，可能产出性能优越、成本低于现有PAN基产品的碳纤维。
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