石墨烯提升復(fù)合材料性能

添加到 PAN 原絲中的石墨烯（0.075%重量）表現(xiàn)出碳纖維抗拉強(qiáng)度增加 225%和模量增加 184%。

PAN/石墨烯復(fù)合碳纖維的濕法紡絲工藝、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能圖示

正如石墨烯委員會發(fā)表的，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL，美國田納西州橡樹嶺）、弗吉尼亞大學(xué)（UVA，美國弗吉尼亞州夏洛茨維爾）和賓夕法尼亞州立大學(xué)（賓夕法尼亞州立大學(xué)，賓夕法尼亞州帕克，美國）的研究人員在 2020 年的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，根據(jù)之前的研究評估了原始石墨烯作為碳纖維前體纖維聚丙烯腈 （PAN） 解決方案添加劑的使用，使用碳納米管（CNT- carbon nanotube）和氧化石墨烯（GO- graphene oxide）液體。

作者解釋了添加碳納米管不僅可以優(yōu)化 PAN 紡絲原液和凝固參數(shù)，還可以作為聚合物鏈取向和取向的模板以及聚合物結(jié)晶的成核劑。他們引用了 Chae 等人的研究。其中報(bào)告稱，添加 49.64wt %碳納米管后，碳纖維模量增加了 1%，強(qiáng)度提高了 0%。碳納米管的添加也被證明可以降低碳化溫度，這可以顯著降低碳纖維（CF）制造過程中的能耗。

作為一種單層二維碳同素異形體，石墨烯表現(xiàn)出優(yōu)于碳納米管的性能，包括更大的表面積、卓越的電子遷移率、更高的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量。然而，最近在制造碳纖維時(shí)使用氧化石墨烯（GO）液晶的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致纖維的抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈兊墓逃信帕泻徒Y(jié)晶度較差。

ORNL，UVA 和賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員從理論上認(rèn)為，原始石墨烯可能是比 CNT 和 GO 更好的添加劑，ORNL，UVA 和賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員在 PAN/二甲基亞砜（PAN/DMSO）溶液中添加了少量剪切剝落的原始石墨烯（0.01 至 1.0wt%），以微調(diào) PAN 紡絲涂料的性能。結(jié)果表明，與不含石墨烯的 PAN 碳纖維相比，石墨烯含量為 0.075 wt %的 PAN/石墨烯基碳纖維的拉伸強(qiáng)度為 1916 MPa，楊氏模量為 233 GPa，強(qiáng)度提高了 225%，模量提高了184%。

此外，大規(guī)模分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明，添加石墨烯可引入有利的邊緣化學(xué)，促進(jìn)碳含量，增強(qiáng)聚合物鏈排列并提高結(jié)晶度。

作者聲稱，這些結(jié)果不僅擴(kuò)大了對 PAN 基碳纖維生產(chǎn)的理解，而且還為開發(fā)由石墨烯增強(qiáng)的低成本替代前體纖維提供了基礎(chǔ)，這可能產(chǎn)生具有卓越性能和低成本的碳纖維。