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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(huì)發(fā)表的，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 （ORNL，美國(guó)田納西州橡樹嶺）、弗吉尼亞大學(xué) （UVA，美國(guó)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(guó)）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(píng)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0.075wt%的PAN/石墨烯基碳纖維的拉伸強(qiáng)度為1916MPa，楊氏模量為233GPa，強(qiáng)度提高了225%，模量提高了184%。此外，大規(guī)模分子動(dòng)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(duì)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。
注：原文，《Graphene-reinforced carbon fibers may offer path to stronger, cheaper composites》 2020.4.29.