Sci Adv：石墨烯/PAN复合材料制备高性能碳纤维材料

纳米技术

2020-04-26

强度/重量比最高的碳纤维材料能够降低车辆的重量，并提升能量转换效率，但是目前大多数的碳纤维材料是从比较贵的聚丙烯腈（PAN）得到的，这限制了在汽车工业中的应用，弗吉尼亚大学、宾夕法尼亚州立大学等对PAN的转化和微结构演变过程进行研究，对合成设计廉价PAN基碳纤维材料的方法进行探索，作者发现引入少量石墨烯能够降低碳纤维中的孔/缺陷浓度，实现了增强碳纤维材料的性能。实验结果显示，在碳纤维中引入0.075 %的石墨烯能够提高碳纤维225 %的强度和184 %的杨氏模量。作者通过原子级别的ReaxFF测试和大规模分子动力学模拟方法对石墨烯改善碳纤维材料的边缘结构（favorable edge chemistry）和聚合物链结构改善进行表征。

本文要点：

（1）材料合成。在合成碳纤维的PAN/DMSO前驱液中加入石墨烯，通过电纺方法制备碳纤维材料，结果显示石墨烯的加入能够改善纤维的形貌、提高纤维的强度、杨氏模量，并得到更高强度的PAN/石墨烯复合材料。当石墨烯的含量为0.0075 %时，复合材料的力学性能最高，材料的强度达到1916 MPa，杨氏模量达到233 GPa（对应的PAN材料强度为589 MPa，杨氏模量为82 GPa）。当石墨烯的含量提高为0.1 %，PAN复合材料的强度降低为980 MPa，断裂应变达到0.6 %。TEM结果显示，材料的断面显示石墨烯展现了褶皱结构，这种褶皱结构改善了石墨烯和聚合物之间的接触作用。通过电纺过程处理，石墨烯纳米片均匀分散在PAN中，没有发生团聚现象，通过氧化/碳化过程，石墨烯的结晶部分得以保持，Raman结果显示1350 cm^-1（缺陷/位错）和~1585 cm^-1（石墨烯中的sp²碳）的峰，峰强度显示处理后的样品中缺陷位点浓度降低，并且更加体现出规则的石墨相。XRD结果显示有~17°的对应于PAN（200）晶面的峰在热处理后宽化，并在24°中出现了弱宽峰，说明石墨相的（002）晶面生成。

（2）通过ReaxFF计算研究了石墨烯对PAN制备碳纤维材料的影响，说明了反应中生成的气体分子（H₂/H₂O/N₂/CO/CO₂）的影响，结果显示加入石墨烯后，材料中的碳含量稍有提高，但是这个过程对生成5/6/7元碳环过程没有较大的影响。由于石墨烯中具有大量悬挂键，能够与碳之间形成化学键，并生成更大的石墨烯，HOF测试结果显示，复合材料中的石墨烯的连结性提高了12 %，进而改善了复合材料中的微结构。

参考文献

Zan Gao, Jiadeng Zhu, Siavash Rajabpour, Kaushik Joshi, Małgorzata Kowalik, Brendan Croom, Yosyp Schwab, Liwen Zhang, Clifton Bumgardner, Kenneth R. Brown, Diana Burden, James William Klett, Adri C. T. vanDuin*, Leonid V. Zhigilei*, Xiaodong Li*

Graphene reinforced carbon fibers，Science Advances 2020, 6 (17), eaaz4191

DOI: 10.1126/sciadv.aaz4191

https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaaz4191