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。

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