Графен-усиленные углеродные волокна: новый путь к более прочным и дешевым композитам

Как опубликовано Graphene Council, исследователи Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Оук-Ридж, Теннесси, США), Университета Вирджинии (UVA, Шарлоттсвилл, Вирджиния, США) и Университета Пенсильвании (Penn State, Университи-Парк, Пенсильвания, США) опубликовали исследование в апреле 2020 года в Science Advances, оценивающее использование безупречного графена как добавки к раствору полиакрилонитрила (PAN) для предкурсорных нитей углеродного волокна на основе предыдущих исследований с углеродными нанотрубками (CNT) и жидким оксидом графена (GO).

Авторы объясняют, как добавление CNT не только оптимизирует прядной доп PAN и параметры коагуляции, но и служит и шаблоном для выравнивания и ориентации полимерных цепей, и нуклеационным агентом для полимерной кристаллизации. Они ссылаются на исследование Чаэ и соавт., сообщившее о 49% увеличении модуля упругости и 64% увеличении прочности с добавлением 1,0 в.м.% углеродных нанотрубок. Добавление CNT также показано снижает температуру карбонизации, что может значительно сократить энергопотребление при производстве углеродного волокна.

Как однослойный двумерный аллотроп углерода, графен демонстрирует превосходные свойства по сравнению с CNT: большую площадь поверхности, превосходную подвижность электронов, более высокую растяжную прочность и модуль Юнга. Однако недавние эксперименты с жидкокристаллическим оксидом графена (GO) при fabricación углеродного волокна дали нити с низкой растяжной прочностью из-за их плохого внутреннего выравнивания и кристалличности.

Гипотезируя, что безупречный графен может быть лучшей добавкой, чем CNT и GO для PAN-углеродных волокон, исследователи ORNL, UVA и Penn State добавили небольшое количество сдвигово-эксфолированного безупречного графена (0,01–1,0 в.м.%) к раствору PAN/диметилсульфоксид (PAN/DMSO) для тонкой настройки свойств прядного допа PAN. Результаты показали, что PAN/графен-углеродные волокна с 0,075 в.м.% графена показали растяжную прочность 1916 МПа и модуль Юнга 233 ГПа — увеличение прочности на 225% и модуля на 184% по сравнению с PAN-углеродными волокнами без графена.

Кроме того, результаты крупномасштабной молекулярно-динамической симуляции показывают, что добавление графена вводит благоприятную краевую химию, способствует углеродному содержанию, улучшает выравнивание полимерных цепей и увеличивает кристалличность.

Авторы заявляют, что эти результаты не только расширяют понимание производства PAN-углеродного волокна, но и дают основу для разработки дешевых альтернативных предкурсорных нитей, усиленных графеном, которые могут давать углеродные волокна с превосходной производительностью и более низкой стоимостью по сравнению с текущими PAN-продуктами.