Углеродные волокна, армированные графеном, могут открыть путь к более прочным и дешевым композитам

Согласно публикации Graphene Council, исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL, Ок-Ридж, штат Теннеси, США), Университета Вирджинии (UVA, Шарлоттсвилл, штат Вирджиния, США) и Университета штата Пенсильвания (штат Пенсильвания, Юниверсити-Парк, Пенсильвания). ., США) опубликовали исследование в апрельском выпуске журнала Science Advances за 2020 г. , оценка использования чистого графена в качестве добавки к раствору полиакрилонитрила (PAN) для волокон-предшественников углеродного волокна на основе предыдущих исследований с использованием углеродных нанотрубок (CNT) и жидкости оксида графена (GO).

Авторы объясняют, как добавление УНТ может не только оптимизировать прядильный раствор и параметры коагуляции ПАН, но также служить как шаблоном для выравнивания и ориентации полимерных цепей, так и зародышеобразователем для кристаллизации полимера. Они цитируют исследования Чэ и др. . . которые сообщили об увеличении модуля упругости углеродного волокна на 49% и увеличении прочности на 64% при добавлении 1,0% углеродных нанотрубок. Также было показано, что добавление УНТ снижает температуру карбонизации, что может значительно снизить потребление энергии при производстве углеродного волокна (CF).

В качестве однослойного двумерного углеродного аллотропа графен демонстрирует превосходные свойства по сравнению с УНТ, включая большую площадь поверхности, превосходную подвижность электронов, более высокую прочность на разрыв и модуль Юнга. Однако недавние эксперименты с использованием жидкого кристалла оксида графена (GO) в производстве углеродного волокна привели к получению волокон с невысокой прочностью на разрыв из-за их плохой внутренней ориентации и кристалличности.

Предполагая, что чистый графен может быть лучшей добавкой, чем УНТ и GO для углеродных волокон на основе PAN, исследователи ORNL, UVA и Penn State добавили небольшое количество расслоенного сдвигом первичного графена (от 0,01 до 1,0 мас.%) К PAN / диметилу. раствор сульфоксида (ПАН / ДМСО) для точной настройки свойств прядильного раствора ПАН. Результаты показали, что углеродные волокна на основе ПАН / графена с 0,075 мас.% Графена показали предел прочности на разрыв 1916 МПа и модуль Юнга 233 ГПа - увеличение прочности на 225% и увеличение модуля на 184% по сравнению с углеродными волокнами из ПАН без графена. / P>

Кроме того, результаты крупномасштабного моделирования молекулярной динамики показывают, что добавление графена приводит к благоприятному химическому составу краев, увеличению содержания углерода, усилению выравнивания полимерных цепей и увеличению кристалличности.

Авторы заявляют, что эти результаты не только расширяют понимание производства углеродного волокна на основе PAN, но также обеспечивают основу для разработки недорогих альтернативных волокон-предшественников, усиленных графеном, которые могут дать углеродные волокна, которые обеспечивают превосходные характеристики и более низкую стоимость по сравнению с нынешними PAN-волокнами. продукты на основе.