石墨烯提升复合材料性能

添加到 PAN 原丝中的石墨烯（0.075%重量）表现出碳纤维抗拉强度增加 225%和模量增加 184%。

PAN/石墨烯复合碳纤维的湿法纺丝工艺、微观结构和力学性能图示

正如石墨烯委员会发表的，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，宾夕法尼亚州帕克，美国）的研究人员在 2020 年的《科学进展》杂志上发表了一项研究，根据之前的研究评估了原始石墨烯作为碳纤维前体纤维聚丙烯腈 （PAN） 解决方案添加剂的使用，使用碳纳米管（CNT- carbon nanotube）和氧化石墨烯（GO- graphene oxide）液体。

作者解释了添加碳纳米管不仅可以优化 PAN 纺丝原液和凝固参数，还可以作为聚合物链取向和取向的模板以及聚合物结晶的成核剂。他们引用了 Chae 等人的研究。其中报告称，添加 49.64wt %碳纳米管后，碳纤维模量增加了 1%，强度提高了 0%。碳纳米管的添加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、卓越的电子迁移率、更高的拉伸强度和杨氏模量。然而，最近在制造碳纤维时使用氧化石墨烯（GO）液晶的实验导致纤维的抗拉强度低于标准，因为它们的固有排列和结晶度较差。

ORNL，UVA 和宾夕法尼亚州立大学的研究人员从理论上认为，原始石墨烯可能是比 CNT 和 GO 更好的添加剂，ORNL，UVA 和宾夕法尼亚州立大学的研究人员在 PAN/二甲基亚砜（PAN/DMSO）溶液中添加了少量剪切剥落的原始石墨烯（0.01 至 1.0wt%），以微调 PAN 纺丝涂料的性能。结果表明，与不含石墨烯的 PAN 碳纤维相比，石墨烯含量为 0.075 wt %的 PAN/石墨烯基碳纤维的拉伸强度为 1916 MPa，杨氏模量为 233 GPa，强度提高了 225%，模量提高了184%。

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，促进碳含量，增强聚合物链排列并提高结晶度。

作者声称，这些结果不仅扩大了对 PAN 基碳纤维生产的理解，而且还为开发由石墨烯增强的低成本替代前体纤维提供了基础，这可能产生具有卓越性能和低成本的碳纤维。