碳纖維（CFs）的最高級強度-重量比可以大大減輕車輛重量并提高能源效率。但是，大多數(shù)CFs均來自昂貴的聚丙烯腈（PAN），這限制了它們在汽車工業(yè)中的廣泛應用。從低成本的替代前體材料生產CFs的大量努力未能產生商業(yè)上可行的產品。在這里，我們再次訪問PAN，以研究其轉化化學和微觀結構演變，這可能為低成本CFs的設計提供線索。我們證明了少量的石墨烯可以使孔隙率/缺陷最小化并增強基于PAN的CFs。我們的實驗結果表明，與PAN CFs相比，0.075 wt.％的石墨烯在強度上增強了PAN/石墨烯復合CFs的225％，楊氏模量提高了184％。原子ReaxFF和大規(guī)模分子動力學模擬共同闡明了石墨烯通過促進有利的邊緣化學作用和聚合物鏈排列來修飾微觀結構的能力。
Figure 1. (A) PAN/石墨烯復合纖維制備過程；(B)-(G)分別是石墨烯含量為0、0.01wt%、0.025wt%、0.05wt%、0.075wt%和0.1wt% CF/石墨烯復合碳纖維斷面SEM圖；(H)和(I)分別是不同石墨烯含量CF/石墨烯復合碳纖維的拉伸強度、楊氏模量和斷裂伸長率結果
Figure 2. 不同石墨烯含量復合碳纖維的納米X射線斷層圖像；注：圖中橙色部分表示的是纖維的軸向裂紋，圓圈圈住的區(qū)域表示的是纖維的縱向納米缺陷
Figure 3. 氧化處理階段對PAN纖維(藍色)和PAN/石墨烯復合纖維(橙色)的仿真模擬。(A)~(C)分別是兩種纖維N
2、H
2和H
2O的產生量隨時間的變化；(D)~(F)分別是兩種纖維中5、6、7元環(huán)含量隨時間的變化；(G) 兩種纖維碳含量隨時間的變化；(H)和(I)表示的是含有石墨烯的纖維中形成的5、6、7元環(huán)結構示意圖
相關研究成果于2020年由弗吉尼亞大學Xiaodong Li和Leonid V. Zhigilei課題組以及賓夕法尼亞州立大學Adri C. T. van Duin課題組，發(fā)表在Science Advances（DOI: 10.1126/sciadv.aaz4191）上。原文：Graphene reinforced carbon fibers。
