碳纖維（CFs）的最高級(jí)強(qiáng)度-重量比可以大大減輕車(chē)輛重量并提高能源效率。但是，大多數(shù)CFs均來(lái)自昂貴的聚丙烯腈（PAN），這限制了它們?cè)谄?chē)工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。從低成本的替代前體材料生產(chǎn)CFs的大量努力未能產(chǎn)生商業(yè)上可行的產(chǎn)品。在這里，我們?cè)俅卧L問(wèn)PAN，以研究其轉(zhuǎn)化化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)演變，這可能為低成本CFs的設(shè)計(jì)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(qiáng)基于PAN的CFs。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與PAN CFs相比，0.075 wt.％的石墨烯在強(qiáng)度上增強(qiáng)了PAN/石墨烯復(fù)合CFs的225％，楊氏模量提高了184％。原子ReaxFF和大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬共同闡明了石墨烯通過(guò)促進(jìn)有利的邊緣化學(xué)作用和聚合物鏈排列來(lái)修飾微觀結(jié)構(gòu)的能力。
Figure 1. (A) PAN/石墨烯復(fù)合纖維制備過(guò)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(fù)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(fù)合碳纖維的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂伸長(zhǎng)率結(jié)果
Figure 2. 不同石墨烯含量復(fù)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(duì)PAN纖維(藍(lán)色)和PAN/石墨烯復(fù)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(chǎn)生量隨時(shí)間的變化；(D)~(F)分別是兩種纖維中5、6、7元環(huán)含量隨時(shí)間的變化；(G) 兩種纖維碳含量隨時(shí)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(jié)構(gòu)示意圖
相關(guān)研究成果于2020年由弗吉尼亞大學(xué)Xiaodong Li和Leonid V. Zhigilei課題組以及賓夕法尼亞州立大學(xué)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。
